Síntesis de copolímeros basados en ácido láctico, ácidos...

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Síntesis de copolímeros basados en ácido láctico, ácidos dicarboxílicos insaturados y

monómeros acrílicos

Dally Yinet Bueno Dueñas

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y ambiental

Bogotá, Colombia 2012

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Synthesis of copolymers based on lactic acid, unsaturated dicarboxylic acid and acrylic

monomers




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Síntesis de copolímeros basados en ácido láctico, ácidos dicarboxílicos insaturados y

monómeros acrílicos


Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería Química

Director:

Ph.D. MSc. Ingeniero Químico Jairo Ernesto Perilla Perilla

Línea de Investigación: Procesos de polimerización y materiales

Grupo de Investigación:

Ingeniería de Biomateriales



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A mis padres porque cada uno de ellos a su manera han respaldado

y fortalecido mi vida.

A mis hermanas por su incondicional apoyo y especial cariño que me ayuda a no desfallecer

en la vida.

A Dios por darme la fe y la esperanza día a día.

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Agradecimientos

A la Dirección Nacional de Investigaciones de la Universidad Nacional de Colombia en la Modalidad 6:”Apoyo a programas de postgrado” código QUIPU 20601003559. Al Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional de Colombia por facilitar las muestras del hongo Aspergillus Niger y el laboratorio para la inoculación de los mismos. Al Ingeniero Jairo E. Perilla P., director del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental por la asesoría, acompañamiento y divulgación de este trabajo. Al Ingeniero Nestor Algeciras, docente del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental por su colaboración en la realización de este proyecto. A la Doctora Bibiana Vallejo, docente del Departamento de Farmacia de la Facultad de Ciencias por su asesoría en la realización de las pruebas de degradación.

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Resumen

Oligómeros de ácido láctico funcionalizados con ácido itacónico (PLIA) y oligómeros de ácido láctico funcionalizados con ácido maléico (PLMA) fueron obtenidos por poliesterificación directa empleando octoato de estaño (Sn(Oct)2) como catalizador. La reacción de polimerización fue ajustada a 150 °C y 23,7 KPa para PLIA con tiempos entre 5 y 16 horas, y entre 1 % y 9 % molar de ácido itacónico; además la reacción para la obtención de PLMA fue dada a 120 °C y 23,7 KPa para los mismos tiempo de reacción . La temperatura de transición vítrea (Tg) de los prepolímeros está entre -17 °C y 19 °C dependiendo del tipo y concentración de ácido dicarboxílico y del tiempo de reacción. La estructura química de los oligómeros fue estudiada por 1HRMN, 13CRMN. Además aprovechando la doble funcionalidad de los monómeros dicarboxílicos, se elaboraron copolímeros por reacción en cadena de los oligómeros con monómeros acrílicos como ácido acrílico, ácido metacrílico y metacrilato de metilo. La polimerización se realizó por la técnica de solución y como iniciador se usó peróxido de benzoilo (BPO). De acuerdo al monómero acrílico la temperatura de reacción estuvo entre 70 °C y 90 ºC. La estructura química de los copolímeros se determinó por 1HRMN. Así mismo, la degradabilidad tanto de los oligomeros como de los polímeros fue determinada por degradación hidrolítica y enzimática y fueron evaluadas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) interpretándose el mecanismo de degradación como erosión.

Palabras claves: biopolímeros, ácido láctico, monómeros acrílicos, polimerización, degradación.

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Abstract

Lactic acid oligomers functionalized with itaconic acid (PLIA) and with maleic acid (PLMA) were obtained by direct polyesterification using tin octoate (Sn (Oct)2) as catalyst. The polymerization reaction was adjusted to 150 ° C and 23.7 kPa for PLIA and between 5 and 16 hours, and 1 % and 9 % mol of itaconic acid furthermore; the reaction to obtain PLMA was given to 120 °C and 23.7 kPa for the same reaction time. The glass transition temperature (Tg) of the prepolymers were between -17 °C and 19 °C depending on the type and concentration of dicarboxylic acid and reaction time. The chemical structure of the oligomers was studied by 1HNMR and 13CNMR. Also, taking advantage of the dual functionality of the dicarboxylic monomers, copolymers were prepared by chain reaction of oligomers with acrylic monomers such as acrylic acid, methacrylic acid and methyl methacrylate. The polymerization was carried out by the technique of solution and was used as the initiator benzoyl peroxide (BPO). Acrylic monomer according to the reaction temperature was 70 °C and 90 ºC. The chemical structure of copolymers was determined by 1HNMR. Likewise, the degradability of both oligomers and polymers was determined by hydrolytic and enzymatic degradation and were evaluated by scanning electron microscopy (SEM). The degradation was interpreted as erosion mechanism.

Keywords: biopolymers, lactic acid, acrylic monomers, polymerization, degradation

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Contenido

Introducción xxi

1. Marco Teórico 23

1.1 Generalidades 23

Biomateriales 24 1.1.1

Degradación de polímeros 24 1.1.2

Aplicaciones de los biopolímeros 26 1.1.3

1.2 Síntesis de biopolímeros 29

Policondensación 29 1.2.1

Polimerización por adición 36 1.2.2

2. Materiales y métodos 39

2.1 Materiales empleados 39

2.2 Polimerización por condensación de ácido láctico 40

2.3 Polimerización por radicales libres 43

Homopolimerización 43 2.3.1

Copolimerización 44 2.3.2

2.4 Caracterización de oligomeros y polímeros sintetizados 46

Resonancia Magnética Nuclear (RMN) 46 2.4.1

Calorimetría diferencial de barrido (DSC) 47 2.4.2

Cromatografía de permeación en gel 48 2.4.3

Valor ácido 48 2.4.4

Solubilidad 49 2.4.5

2.5 Degradación de oligomeros y polímeros 49

Ensayos de degradación hidrolítica 50 2.5.1

Ensayos degradación enzimática 51 2.5.2

Extracción de las muestras 51 2.5.3

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Exposición de los oligómeros y polímeros al hongo Aspergillius Niger 51 2.5.4

Caracterización por microscopía electrónica de barrido 52 2.5.5

3. Resultados y análisis 55

3.1 Síntesis de oligómeros y polímeros derivados del dl-ácido láctico 55

3.2 Caracterización de oligómeros de ácido láctico funcionalizados 63

Estudio estructural por resonancia magnética nuclear 63 3.2.1

Temperatura de transición vítrea de oligómeros 71 3.2.2

Peso molecular de los oligómeros 74 3.2.3

3.3 Caracterización de polímeros derivados de oligómeros de ácido láctico funcionalizados 80

Polímero derivado de oligómeros de ácido láctico funcionalizado con ácido 3.3.1itacónico y monómeros acrílicos 80

Polímero derivado de oligómeros de ácido láctico funcionalizado con ácido 3.3.2maléico y monómeros acrílicos 84

3.4 Degradación de oligómeros y polímeros derivados de ácido láctico 88

Degradación hidrolítica 88 3.4.1

Degradación enzimática 93 3.4.2

Exposición al hongo Aspergillus Niger 96 3.4.3

4. Conclusiones y Recomendaciones 99

4.1 Conclusiones 99

4.2 Recomendaciones 100

BIBLIOGRAFÍA 101

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Lista de figuras

Figura 1-1: Mecanismos de degradación química. (Adaptado de Kohn et.al., 2004) ........ 25 Figura 1-2: Perfil de pérdida de peso molecular como función del tiempo.

(Adaptado de Yao et.al., 2003) ...................................................................... 26 Figura 1-3: Estructura del ácido láctico (LA) (a) y del láctido (b)........................................ 30 Figura 1-4: Cambios en peso molecular (Mw) de estereobloques de poli (ácido

láctico) como función del tiempo total del proceso de reacción donde la policondesación del estado sólido fue realizada a (•)T=120 ºC, ( ?)T=150 ºC, (? )T=170 ºC. (Adaptado de Fukushima et.al., 2005) .............. 31

Figura 1-5: Síntesis de Poli(ácido láctico) PLA a partir de láctido ...................................... 31 Figura 1-6: Propiedades mecánicas del copolímero PCLA como función de la

composición. (a) esfuerzo de tensión ultimo (MPa), (b) Módulo de Young (MPa), (c) elongación a ruptura (%). Adaptado de Cohn y Salomón, 2004................................................................................................ 35

Figura 1-7: Reacciones de polimerización por radicales libres. ......................................... 37 Figura 1-8: Esquema de reacción para obtención del copolímero de injerto PLA-

P(NIPAm-co-MMA).a)PLA-MA macromonómero; b)copolímero PLA-P(NIPAm-co-MMA).(NIPAm: N-isopropil acrilamida); (MAA: ácido metacrílico) ..................................................................................................... 38

Figura 2-1: Equipo para la reacción de policondensación de ácido láctico y oligomeros funcionalizados. ........................................................................... 40

Figura 2-2: Perfiles de presión y temperatura para la obtención de homopolímero de d,l-ácido láctico (PLA) ..................................................................................... 41

Figura 2-3: Rampa de presión y temperatura para la obtención de oligomeros funcionalizados de d,l-ácido láctico con ácido itacónico. .............................. 43

Figura 2-4. Polimerización por radicales libres. a) homogeneidad del sistema reaccionante. b) y c) Equipo de reacción...................................................... 45

Figura 2-5: Precipitación de polímeros derivados de los oligomeros PLIA y PLMA y los monómeros AA y AM. ............................................................................... 46

Figura 2-6: Equipo BRUKER modelo ACP400 para resonancia magnética nuclear (RMN).............................................................................................................. 47

Figura 2-7: Montaje del sistema para degradación hidrolítica y enzimática....................... 50

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Figura 2-8: Ejemplo de montaje para exposición de polímeros al hongo Aspergillus Niger................................................................................................................ 52

Figura 3-1: Arriba. Reacción de policondensación entre ácido láctico y ácido itacónico para obtener PLIA. Abajo. Reacción de policondensación entre ácido láctico y ácido maléico para obtener PLMA. .................................................. 56

Figura 3-2: Oligómeros obtenidos a partir de ácido láctico y ácido itacónico a T=150 °C. Izquierda. Tiempo de reacción entre 5 y 16 horas. Derecha. Composiciones de monómero dicarboxílico entre 1 y 9 %........................... 56

Figura 3-3: Valor ácido para los oligómeros obtenidos a partir de la reacción entre ácido láctico-ácido itacónico........................................................................... 57

Figura 3-4: Valor ácido para los oligómeros obtenidos a partir de la reacción entre ácido láctico-ácido maléico............................................................................. 58

Figura 3-5: Solubilidad de PLIA10h en: a.dioxano, b.diclorometano, c. dibutil éter, d. MMA. 1. Relación oligómero/MMA1:0,5, 2.Relación oligómero/MMA1:1, 3. Relación oligómero/MMA1:2, 4. Relación oligómero/MMA1:3. ................ 58

Figura 3-6: Generalidades de la polimerización por radicales libres de PLIA y monómeros acrílicos. AA: ácido acrílico. AM: ácido metacrílico; MMA: metacrilato de metilo....................................................................................... 60

Figura 3-7: Generalidades de la polimerización por radicales libres de PLMA y monómeros acrílicos....................................................................................... 61

Figura 3-8: Izquierda: copolímero PLIA-co-MA pulverizado. Derecha: Fotografía óptica superficie sólida ................................................................................... 61

Figura 3.9: Fotografía óptica superficie viscosa de PLIA-AA ............................................. 62 Figura 3-10: Polimeros obtenidos por la reacción de oligomeros fucionalziados con

ácido itacónico (PLIA) y: A. metil metacrialto. B. ácido metacrílico. C. Ácido acrílico................................................................................................... 62

Figura 3-11: a. Identificación de protones de la estructura de dl-PLA para 1HRMN. b. Identificación de carbonos de la estructura de dl-PLA para 13CRMN ........... 63

Figura 3-12: a. Espectro 1HRMN para el polímero PLA obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción. b. Espectro 1HRMN para el polímero PLA obtenido a 150 °C y10 horas de reacción. ....................................................................... 65

Figura 3-13: a. Espectro 13CRMN para el polímero PLA obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción. b. Espectro 13CRMN para el polímero PLA obtenido a 150 °C y10 horas de reacción ............................................................................... 66

Figura 3-14: Oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA) para análisis por 1HRMN ................................................................................ 67

Figura 3-15: Espectro 1HRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA10h)............................................................................... 67

Figura 3-16: Oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA) para análisis por 13CNMR. .............................................................................. 68

Figura 3-17: Espectro 13CRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA10h)............................................................................... 68

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Figura 3-18: Oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA) para análisis por a. 1HRMN y b. 13CRMN. .................................................. 69

Figura 3-19: Espectro 1HRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA10h) .............................................................................. 70

Figura 3-20: Espectro 13CRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA10h) .............................................................................. 70

Figura 3-21: Termogramas para PLA. a. Polímero obtenido a 150 °C y 10 horas de reacción. b. Polímero obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción. ............... 71

Figura 3-22: Temperatura de transición vítrea para oligomeros de PLIA obtenido bajo las condiciones de reacción T=150 °C, concentración de ácido itacónico de 6 % y tiempo de reacción variable. ........................................................... 72

Figura 3-23: Temperatura de transición vítrea para oligomeros de PLIA obtenido bajo condiciones de reacción de T=150 °C, t= 10 h, concentración de ácido itacónico variable. ........................................................................................... 72

Figura 3-24: Temperatura de transición vítrea para oligómeros de PLMA obtenido bajo las condiciones de reacción T=120 °C, concentración de ácido maléico de 6 % y tiempo de reacción variable............................................... 73

Figura 3-25: Temperatura de transición vítrea para oligómeros de PLMA obtenido bajo condiciones de reacción de T=120°C, t= 10h, concentración de ácido maléico variable. ................................................................................... 74

Figura 3-26: Peso molecular promedio en peso (Mw) y en número (Mn) para oligomeros de PLIA obtenido bajo las condiciones de reacción T=150 °C, concentración de ácido itacónico de 6 % y tiempo de reacción variable............................................................................................................ 75

Figura 3-27: Superior: Peso molecular promedio en peso (Mw) para oligomeros de PLIA. Inferior Peso molecular promedio en número (Mn) para oligomeros de PLIA. Oligomeros obtenidos a 10 horas de reacción y T=150 °C......................................................................................................... 76

Figura 3-28: Peso molecular promedio en peso (Mw) y en número (Mn) para oligomeros de PLIA obtenido bajo las condiciones de reacción T=150 °C, concentración de ácido maléico de 6 % y tiempo de reacción variable............................................................................................................ 77

Figura 3-29: Peso molecular promedio en peso (Mw) y en número (Mn) para oligomeros de PLMA. Oligomeros obtenidos a 10 horas de reacción y T=120 °C......................................................................................................... 78

Figura 3-30: Dependencia de la Tg con el peso molecular para los oligómeros de PLIA ................................................................................................................ 79

Figura 3-31: Dependencia de la Tg con el peso molecular para los oligómeros de PLMA .............................................................................................................. 80

Figura 3-32: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLIA-AA para 1HRMN .............................................................................................. 81

Figura 3-33: Espectro 1HRMN para el polímero PLIA-AA .................................................. 81

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Figura 3-34: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLIA-AM para 1HRMN. ............................................................................................ 82

Figura 3-35: Espectro 1HRMN para el polímero PLIA-AM .................................................. 82 Figura 3-36: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLIA-

MMA para 1HRMN. ......................................................................................... 83 Figura 3-37: Espectro 1HRMN para el polímero PLIA-MMA............................................... 84 Figura 3-38: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero

PLMA-AA para 1HRMN................................................................................... 85 Figura 3-39: Espectro 1HRMN para el polímero PLMA-AA ................................................ 85 Figura 3-40: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero

PLMA-AM para 1HRMN. ................................................................................. 86 Figura 3-41: Espectro 1HRMN para el polímero PLMA-AM ................................................ 86 Figura 3-42: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero

PLMA-MMA para 1HRMN. .............................................................................. 87 Figura 3-43: Espectro 1HRMN para el polímero PLMA-MMA............................................. 87 Figura 3-44: Aspecto visual de la degradación hidrolítica de los oligomeros

funcionalizados con ácido láctico PLIA PLMA .............................................. 89 Figura 3-45: Microscopía electrónica de barrido para el oligómero PLIA antes y

después de degradación hidrolítica a pH 7.................................................... 90 Figura 3-46: Aspecto visual de la degradación hidrolítica de polímeros derivados de

monómeros acrílica (PLIA-MMA, PLIA-AA, PLIA-AM) ............................... 91 Figura 3-47: Microscopía electrónica de barrido para polímero PLIA-MMA antes y

después de degradación hidrolítica a pH 7.................................................... 92 Figura 3-48: Microscopía electrónica de barrido para el polímero PLIA-MMA antes y

después de degradación enzimática.............................................................. 94 Figura 3-49: Microscopía electrónica de barrido para el polímero PLMA-MMA antes y

después de degradación enzimática.............................................................. 95 Figura 3-50: Placas de agar con muestras de referencia y polímero PLIA-AA.

Izquierda. Antes de incubación. Derecha.: después de 9 días de incubación. ...................................................................................................... 96

Figura 3-51: Placas de agar con muestras de referencia y polímero PLIA-MMA. Izquierda. Antes de incubación. Derecha. Después de 9 días de incubación. ...................................................................................................... 97

Figura 3-52: Placas de agar con muestras de referencia y polímero PLIA-MA. Izquierda. Antes de incubación. Derecha. Después de 9 días de incubación. ...................................................................................................... 97

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Lista de tablas

Tabla 1-1: Algunos polímeros sintéticos aplicados al área de la medicina ........................ 26 Tabla 1-2: Propiedades físicas, mecánicas y degradación de PLA de alto peso

molecular. (Middleton y Tipton, 2000) ......................................................... 33 Tabla 2-1: Homopolimerizaciones y copolimerizaciones de d,l-ácido láctico..................... 42 Tabla 2-2: Condiciones de reacción para homopolimerización de monómeros

acrílicos. .......................................................................................................... 44 Tabla 2.3: Condiciones de reacción para copolimerización. .............................................. 45 Tabla 2-4: Oligómeros y monómeros para pruebas de solubilidad .................................... 49 Tabla 2-5: Tiempo de incubación para ensayos de degradación ....................................... 51 Tabla 3-1. Solubilidad de oligómeros de ácido láctico- ácido itacónico y oligómeros de

ácido láctico- ácido maléico. .......................................................................... 59

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Introducción

Desde la aparición del hombre, la explotación de los recursos naturales y la transformación de ellos a su mejor conveniencia, ha sido su reto y continúa siendo una de sus principales preocupaciones. Productos evidentes del ingenio del hombre son los que ahora se conocen bajo el nombre de materiales, a tal punto que prácticamente resulta imposible imaginar actividad humana alguna en la que los materiales no sean determinantes. Dentro de los materiales que han tenido más desarrollo durante el último siglo se encuentran los polímeros, los cuales se han posicionado de tal forma que han desplazado en algunas aplicaciones a materiales tradicionales como los metales, el vidrio y el papel. Entre las aplicaciones de los materiales poliméricos, una de las más relevantes está en el campo de la biomedicina. Este uso implica el cumplimiento de una serie de requisitos como son: la máxima biocompatibilidad con los tejidos, es decir, no producir reacciones adversas en el organismo, no desencadenar reacciones alérgicas o que impliquen el rechazo del material, y no deben contener sustancias que puedan intoxicar los tejidos y organismos. Además, desde el punto de vista de la funcionalidad de los productos en los cuales estos polímeros estén presentes, se espera, que tengan propiedades mecánicas adecuadas para la aplicación que se le van a dar y que en lo posible, puedan ser asimilados y/o degradados por seres vivos, de acuerdo al uso que pretende hacerse de ellos. En los últimos años se han desarrollado comercialmente materiales poliméricos biodegradables tales como homopolímeros y copolímeros de ácido láctico, ácido glicólico, ε-caprolactona y otros monómeros que pueden ser utilizados en productos para uso médico, (p.e. suturas, implantes a nivel óseo como pernos, tornillos, clavos) de tal forma que sus efectos post-quirúrgicos sean mínimos y sean metabolizados por el cuerpo luego de cumplir su propósito sin dejar huella. También han hecho uso de estos materiales para el desarrollo de formulaciones de productos farmacéuticos, en donde el interés de las investigaciones realizadas, ha sido la búsqueda de polímeros que permitan controlar la velocidad de liberación de fármacos desde dispositivos médicos, y asegurar niveles de concentración de fármaco permanentes dentro de los límites de un esquema terapéutico, prolongando los intervalos de administración de un principio activo. Los polímeros que se investigan para estas aplicaciones deben ser preferiblemente

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biocompatibles, biodegradables y estables en combinación con otros auxiliares de formulación y el fármaco.

Los avances realizados en esta campo, presentan un potencial de investigación a nivel local, para la síntesis de polímeros que reúnan las propiedades señaladas anteriormente, puesto que si bien, se han adelantado importantes trabajos en el campo de los polímeros, la temática de biopolímeros y sus aplicaciones, desde la síntesis y estudio de propiedades, así como las potencialidades de aplicación en el campo biomédico, son muy recientes en nuestro medio. En este proyecto se propone una metodología para la obtención de copolímeros de ácido láctico y monómeros acrílicos partiendo de la síntesis por policondensación directa de oligomeros de ácido láctico funcionalizados con compuestos dicarboxílicos como ácido itacónico y ácido maléico para una posterior polimerización por radicales libres con una serie de monómeros acrílicos (ácido acrílico, ácido metacrílico y metacrilato de metilo). Además se estudió el desequilibrio estequiométrico para los oligomeros, así como la degradación por hidrólisis de los oligomeros y polímeros. En el capítulo uno se presentan conceptos, teorías y revisiones literarias referidas a la polimerización por condensación de ácido láctico, a la polimerización por radicales libres de monómeros acrílicos y la degradación de polímeros. En el segundo capítulo se describen los materiales usados en los diferentes ensayos realizados, los procedimientos de poliesterificación de ácido láctico con ácido dicarboxílicos, la polimerización por radicales libres de oligomeros funcionalizados con monómeros acrílicos, las técnicas de caracterización de los polímeros así como los métodos usados en la degradación de los polímeros. En el capítulo tres, se presentan los análisis de los resultados obtenidos por valor ácido, resonancia magnética nuclear, calorimetría diferencial de barrido de los homopolímeros funcionalizados y no funcionalizados de ácido láctico y los copolímeros con monómeros acrílicos; además se considera la degradación de los polímeros mediante microscopia electrónica de barrido. Finalmente, en el capítulo cuatro se dan las conclusiones y recomendaciones al trabajo realizado.

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1. Marco Teórico

En este capítulo se presentan aspectos generales de los biomateriales. En detalle, la síntesis de polímeros destaca la policondensación y polimerización por radicales libres con procedimientos escogidos para la obtención del material.

1.1 Generalidades

Hace 50 años el concepto de biomaterial como nosotros lo pensamos hoy en día no existía y la palabra “biomaterial” no era usada. Los materiales empleados antes de la segunda guerra mundial fueron materiales no biológicos incorporados dentro del cuerpo humano. En la posguerra la posibilidad de usar materiales duraderos, nuevos e inertes habilitó el empleo de metales, cerámicas y materiales poliméricos. Materiales originalmente manufacturados para aviones y automóviles fueron acoplados y aplicados a problemas médicos; estos incluyen a siliconas, poliuretanos, teflón, nylon, metacrilatos, titanio y acero inoxidable. Por lo anterior, una definición de biomaterial aprobada por un grupo de expertos en el tema puede ser: “Un biomaterial es un material no viable usado como dispositivo médico, intentando interactuar con sistemas biológicos” (Williams, 1987). En investigación y desarrollo en ciencia y tecnología para la salud, los biomateriales han sido estudiados en especialidades como medicina y odontología. Hay evidencia de que las suturas han sido usadas desde hace 2000 años con problemas de esterilización, toxicología, reacciones inmunológicas. Como ejemplos se puede decir que, Leonardo Da Vinci en el año 1508 desarrolló el concepto de lente de contacto, a Rene Descartes se le acredita la idea del lente de contacto corneal (1632) y Sir John F. Herschel (1827) sugirió que un lente vítreo podía proteger el ojo. Los polímeros representan la más grande clase de biomateriales que desde mediados del siglo XX, han sido utilizados como dispositivos médicos en implantes ortopédicos y/o dentales entre otros. Van desde materiales sintéticos como polietileno, polipropileno, poliuretanos, polimetacrilato de metilo hasta aquellos extraídos y producidos por la

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materia viva. Emplear estos materiales se hace cada vez más importante debido a la amplia gama de aplicaciones prácticas con las que cuenta.

Biomateriales 1.1.1

Organismos vivos como las plantas proveen diversos tipos de polímeros como la celulosa, el alginato de sodio, y el caucho natural. También es fácil identificar polímeros en los seres vivos, como aquellos que son responsables de la transferencia de información en los sistemas biológicos: i. Los ácidos nucleicos (almacenan información y transfieren esta de generación en generación); ii. Las proteínas (codificadas por los ácidos nucleicos y presentes en todas las reacciones que suceden en la célula); y, iii. Los carbohidratos, que son típicamente encontrados como glucoconjugados (Seeberger y Carrell, 2003). Sin pretender reproducir los complejos procesos naturales, el avance de la ciencia ha permitido desarrollar una nueva clase de biomateriales conocidos como biopolímeros sintéticos, las materias primas provienen de la naturaleza, son diseñados y obtenidos en el laboratorio para aplicaciones generales y específicas. A diferencia de los polímeros convencionales estos pueden degradar por acción de un organismo vivo (enzima, bacteria), además de los producidos por mecanismos físicos o químicos, y son compatibles con los tejidos humanos.

Degradación de polímeros 1.1.2

La degradación de biomateriales poliméricos implica el deterioro de sus propiedades físicas, químicas y mecánicas. Esta deterioro sucede por reacciones químicas que producen la división de los enlaces covalentes de las moléculas (Kohn, et. al. 2004). Concretamente la biodegradación hace referencia sólo cuando un agente biológico (enzimas, células o microorganismos) causa la degradación química de los materiales, esto implica el deterioro de sus propiedades, un decrecimiento en su peso molecular y una destrucción de su estructura hasta la aparición de CO2, H2O, CH4 . Los mecanismos que pueden ocurrir por degradación química son: reacción química por destrucción del entrecruzamiento del polímero convirtiéndolos en polímeros solubles en agua o transformación de las cadenas resultando la formación de grupos polares o cargados o ruptura de enlaces de las unidades repetitivas del polímero y formación de moléculas de menor tamaño (Figura 1-1); la presencia simultánea de varios de estos en un mismo polímero es posible. Los mecanismos anteriormente expuestos pueden ser promovidos por agua o por agentes biológicos. La degradación también puede ocurrir por procesos oxidativos en la que un aditivo químico, tal como peróxidos promueven reacciones que conducen al deterioro de la estructura molecular del polímero.

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Figura 1-1: Mecanismos de degradación química. (Adaptado de Kohn et.al., 2004)

La hidrólisis es el proceso químico por el cual los polímeros se degradan más corrientemente. Esta consiste en el rompimiento de grupos funcionales moleculares por reacciones acuosas catalizadas por ácidos, bases, sales o enzimas (Sierra, 2006). La susceptibilidad de los polímeros a hidrólisis es derivada de su morfología, dimensiones, el medio receptor donde se presentan interacciones complejas entre los componentes humorales y celulares de los fluidos del cuerpo y el polímero, la estructura química donde grupos funcionales de carbonilos como ésteres, amidas, uretanos, carbonatos y anhídridos, entre otros son susceptibles a hidrólisis (Coury, 2004). En general anhídridos tienden a hidrolizar más rápido que enlaces éster y éstos a su vez más rápido que enlaces amida, entonces polianhídridos tienden a degradar más rápido que poliesteres y poliamidas; basados en este comportamiento de los enlaces poliméricos es posible predecir la degradación de un polímero dado.

Se ha demostrado que materiales poliméricos derivados del ácido láctico como PLLA (homopolímero)(Middleton, et. al., 2000) degradan lentamente debido a su hidrofobicidad y a su estructura semicristalina que no permite la rápida penetración del agua. Yao et. al., 2003 en sus estudios propusieron la degradación por hidrólisis del copolímero multibloque basado en ácido láctico, ácido cítrico y polietilenglicol (PLCA-PEG) demostrando por pérdida de peso molecular (Figura 1-2) que la incorporación de unidades de ácido cítrico y de PEG al PLLA permite que el polímero sea más hidrofílico y por tanto se acelere el proceso de degradación de la cadena principal.

Insoluble en agua

Soluble en agua

Mecanismo I. División de entrecruzamientos entre cadenas de polímero soluble en agua

X X X XX

Y Y Y YY

Mecanismo II. Transformación ó división de cadena lateral principal (X) en grupos polares o cargado (Y)

Insoluble en agua

Soluble en agua

Insoluble en agua

Soluble en agua

Mecanismo III. División de enlaces ligantes de unidades repetitivas poliméricas

26 _____________________________________________________________________________________

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30

Tiempo(semanas)

Pes

o m

ole

cula

r re

man

ente

(%

) PLCA-PEG

PLLA

PLCA-PLLA

Figura 1-2: Perfil de pérdida de peso molecular como función del tiempo. (Adaptado de Yao et.al., 2003)

Aplicaciones de los biopolímeros 1.1.3

Las aplicaciones de los biopolímeros incluyen el campo de la biomedicina y la farmacología (Tabla 1-1). De acuerdo a sus propiedades físicas, químicas, mecánicas y de degradación, estos materiales son empleados en el cuerpo humano como dispositivos donde se requiere la presencia permanente o temporal. Los poliesteres lineales basados en ácido láctico presentan gran interés debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad, lo que los hace útiles en algunas aplicaciones biomédicas y farmacéuticas (Alt et al, 2004; Ehtezazi y Washington, 2000; Middleton y Tipton, 2000).

Tabla 1-1: Algunos polímeros sintéticos aplicados al área de la medicina

Polímero Aspectos físicos y químicos Aplicaciones Polipropileno

(PP) Predominantemente isotáctico, Tm=165-175ºC

Mallas para reparación de hernias, vestidos quirúrgicos.

Poli(tetrafluoruroetileno) (PTFE)

Cristalinidad 50-75% Tm=325ºC,

Ligamentos ortopédicos, anillos de unión de válvulas para corazón.

Poli(L-ácido láctico) (L-PLA)

Cristalino (37%) Tm=175-178ºC, Tg= 60-65ºC

Sutura absorbible, reparación de meniscos.

Poli(glicolido) (PGA)

Cristalino (45-55%) Tm=225ºC, Tg= 40-45ºC

Insertos periodontales, suturas absorbibles.

Poli(dioxano) (PDS)

Copolímero termoplástico cristalino Tm=110-115ºC, Tg=10ºC

Suturas absorbibles, pernos intramedulares, clips.

27 _____________________________________________________________________________________

Como sistemas de liberación de fármacos se usan polímeros que permiten controlar la dosificación de fármacos dentro del rango terapéutico deseado, evitando alcanzar niveles tóxicos o concentraciones por debajo de los niveles esperados de tratamiento. En su diseño, estos pueden estar constituidos por una matriz polimérica de tipo hidrofílico o hidrofóbico, en forma de comprimidos para administración oral, y también pueden desarrollarse sistemas terapéuticos de uso local sobre la piel, como dispositivos transdérmicos. Igualmente, se han estudiado sistemas de liberación modificada mediante el empleo de biopolímeros para administración de productos por vía parenteral (Langer, 1990). El principal mecanismo por el cual puede liberarse el fármaco en formulaciones que contienen materiales poliméricos es la difusión a través de la matriz del polímero, así como a través de los poros de la estructura del polímero (Brazel y Peppas, 2000; Ehtezazi et al, 2000; Rojas et. al. 2008). Pinzón et al (2002a; 2002b) desarrollaron un modelo matemático que relaciona las características de la matriz polimérica con la cinética de difusión de solutos. En el caso de polímeros biodegradables, el mecanismo de liberación está relacionado con la velocidad a la cual el material se esté degradando. Debido a que la biodegradación del polímero generalmente involucra la erosión de la masa, el dispositivo toma agua antes de comenzar la degradación de la matriz y disolución (Sáez et al, 2004a), después que la hidratación de la matriz del polímero ha ocurrido, la molécula de principio activo encapsulado comienza a disolverse en el medio acuoso y difunde fuera del sistema (Jain, 2000), por lo tanto, el mecanismo de liberación de principios activos puede verse en tres etapas:

~ Una liberación inicial del principio activo enlazado a la superficie o embebida en la región superficial de la forma farmacéutica sólida.

~ Liberación difusional del principio activo a través de la matriz del polímero y a través de los poros durante la degradación de la matriz.

~ Liberación erosional del principio activo por la desintegración de la matriz del polímero y disolución después que la matriz pierde su integridad y las cadenas del polímero son degradadas a un tamaño lo suficientemente pequeñas como para ser solubilizadas (Middleton y Tipton, 2000).

Las investigaciones a nivel nacional han permitido mostrar formulaciones en las que la biodegradación no ha sido un factor importante; es así como se han preparado geles derivados de monómeros acrílicos como metacrilato de 2-hidroxietilo; acrilamida (Rojas y Vargas, 1999; Penagos et al, 1999; Penagos y Quintero, 1998), y ácido itacónico (Beltrán y Florez, 2001). Bueno y Chamorro (2002), en sus estudios mostraron la importancia de la relación soporte (polímero)/fármaco para la efectividad de la liberación modificada, mediante la evaluación de ciprofloxacina y teofilina en hidrogeles basados en el copolímero hidroxietil metacrilato-co-metil metacrilato (HEMA-co-MMA). Se encontró, que este soporte tipo pastilla no es el apropiado para estos tipos de fármacos debido a que, los discos de hidrogel no liberan la cantidad de teofilina necesaria para una dosis efectiva de ∼300 mg para un adulto. Por el contrario, para ciprofloxacina los hidrogeles liberan más de la dosis requerida (250 mg) para el tratamiento de infecciones del tracto urinario.

28 _____________________________________________________________________________________

Otro tipo de aplicación que se le puede dar a los biopolímeros es la producción de películas biodegradables o biocompatibles, las cuales tienen gran potencialidad como recubrimientos en la industria farmacéutica y de alimentos. La formación de las películas generalmente involucra las asociaciones inter e intra molecular o el entrecruzamiento de las cadenas poliméricas formando redes tridimensionales semi-rígidas que retienen e inmovilizan otros componentes. El grado de cohesión depende de la estructura del polímero, el solvente usado, la temperatura y la presencia de otras moléculas tales como los plastificantes (Vallejo et. al 2008; Tharanathnan, 2003). En la industria farmacéutica, las películas de biopolímeros son de especial interés puesto que pueden actuar como sistemas bioadhesivos que se implantan sobre mucosas (oral, nasal, intestinal, vaginal) donde una de las superficies adheridas es de naturaleza biológica y en la que el objetivo principal es mantenerse fija en el lugar donde se realiza la liberación y/o absorción del fármaco (Langer y Peppas, 2003; Sáez et al, 2004a, 2003; Rodríguez et,al.,2000; Rojas et. al . 2008). Rincón (2009) sintetizó polímeros tipo estrella a partir de ácido láctico y pentaeritritol con terminaciones tioladas (ácido tioláctico) y no tioladas; los resultados de las pruebas de bioadhesión bajo condiciones similares a las fisiológicas realizadas a las películas de estos polímeros sobre mucina mostraron que para una misma concentración de pentaeritritol (2%) los polímeros tiolados tienen alta adhesividad a la superficie biológica debido a que presentaron mayor trabajo de adhesión (~3,32 N.mm) que los polímeros no tiolados (~1,54N.mm).

29 _____________________________________________________________________________________

1.2 Síntesis de biopolímeros

Los mecanismos de síntesis de polímeros en general se pueden agrupar dentro de dos categorías: polimerización por adición y polimerización por pasos. Uno o ambos mecanismos puede estar presente en la obtención de un biopolímero sintético y la elección está sujeta principalmente a la estructura química de los monómeros.

Policondensación 1.2.1

La polimerización por condensación es totalmente análoga a la reacción de condensación de moléculas de bajo peso molecular, donde dos de ellas reaccionan para formar un enlace covalente con eliminación de una pequeña molécula tal como agua, dióxido de carbono o metanol. El mecanismo de polimerización por pasos procede por una serie sucesiva de reacciones ordinarias de condensación entre monómeros y moléculas de varios tamaños y lo hacen hasta agotamiento. Aquí, el peso molecular crece constantemente con la conversión, pues inicia en uno dado (el del monómero) y va aumentando a medida que se unen más monómeros a la cadena, entonces para tener polímeros de alto peso molecular se necesitan altos valores de conversión requiriendo condiciones de alto vacío y el uso de catalizadores. Dentro del análisis cinético de las policondensaciones se asume el postulado de Flory (Odian, 2004), el cual plantea que la reactividad de ambos grupos funcionales de un monómero bifuncional es igual, y que la reactividad de un grupo funcional de un reactante bifuncional es la misma indistintamente si el otro grupo ha reaccionado y es independiente del tamaño de la molécula a la cual pertenece. El control del peso molecular en una policondensación se puede realizar por enfriamiento, precipitación del polímero o eliminación del exceso de monómero. Es importante resaltar que el método fundamental de control de peso molecular es la estequiometría de los monómeros. § Poliesterificación de ácido láctico El ácido láctico es un α-hidroxiácido que contiene un átomo de carbono asimétrico existiendo en dos formas ópticamente activas (L y D) y como una mezcla racémica (Figura 1-3). Este hidroxiácido puede polimerizar por poliesterificación directa de los grupos carboxilo e hidroxilo, describiendo una reacción por pasos. La policondensación de ácido láctico (LA) ha sido estudiada considerando que el catalizador sea uno de los propios monómeros, o bien que se añada uno externo. Hyon et al, (1997), polimerizó una solución de L y D,L-ácido láctico en atmósfera inerte sin el

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C OH

HO

R2R1

C

OD(R)-ácido láctico R1:H R2:CH3L(S)-ácido láctico R1:CH3

R2:H

C

OC

OR1

R2

R4

CO

CO

D,D (R,R)-láctido R1,R3:H R2,R4:CH3L,L(S,S)-láctido R2,R4:H R1,R3:CH3D,L(S,S)-Láctido R1,R4:H R2,R3:CH3

R3

uso de catalizadores obteniendo PLA con pesos moleculares de ∼16000. Esta alternativa cobra gran importancia considerando que para las aplicaciones de tipo farmacéutico resulta crítico el contenido de metales pesados. Kim y Woo (2002), estudiaron la policondensación de una solución de L-ácido láctico con diferentes catalizadores como cloruro de estaño dihidratado (SnCl2*2H2O), cloruro de lantano (LaCl3), dióxido de titanio (TiO2), óxido de estaño (SnO2), entre otros, obteniendo por ejemplo un peso molecular Mv∼33,000 en 48 horas con SnCl2*2H2O como catalizador.

Figura 1-3: Estructura del ácido láctico (LA) (a) y del láctido (b)

(a)

(b)

Otros estudios han conducido a la obtención de PLA de alto peso molecular por medio de policondensación directa de ácido láctico en estado sólido; Fukushima y colaboradores (2005), obtuvieron PLA teniendo en cuenta la estereoespecificidad del LA, usando como catalizador SnCl2*2H2O/ TSA (ácido para-toluensulfónico). En la Figura 1-4 se muestran los cambios en el peso molecular de esterobloques de PLA como función del tiempo de reacción. Las primeras 7 horas muestran un proceso de deshidratación donde se forman los oligorradicales L y D, la policondensación en fundido prosigue durante las siguientes 5 horas donde se alcanza un peso molecular medio (∼45,000) y se permite la formación del estado sólido la cual limita el incremento en el peso molecular; luego en la policondensación en estado sólido el peso molecular cambia no sólo con el tiempo sino con la temperatura de reacción. Los polímeros de bajo peso molecular resultan de bastante utilidad; con una depolimerización controlada, pueden formar los dímeros cíclicos de LA (Figura 1-3(b)) llamado láctido. Éste láctido se polimeriza por apertura de anillo para obtener altos pesos moleculares (Figura 1-5). De esta forma, los inconvenientes inherentes a la polimerización por pasos no están presentes y es posible obtener PLA de peso molecular elevado ∼5×105 (Södergard y Stolt, 2002; Deng et al, 2000; He et. al, 2004). Al interior del grupo de investigación se han realizado experimentaciones conducentes a la producción de láctido (Diazgranados et al, 2005), en estos trabajos se logró producir un láctido de alta pureza usando SnCl2*2H2O como catalizador en la depolimerización.

31 _____________________________________________________________________________________

O

OC

O

C

O

H3C

CH3

OHC C

O

OHC

CH3

C

O

CH3

n

catalizador

calor

Láctido Poli(ácido láctico) [PLA]

Figura 1-4: Cambios en peso molecular (Mw) de estereobloques de poli (ácido láctico) como función del tiempo total del proceso de reacción donde la policondesación del estado sólido fue realizada a (•)T=120 ºC, ( ?)T=150 ºC, (? )T=170 ºC. (Adaptado de Fukushima et.al., 2005)

Figura 1-5: Síntesis de Poli(ácido láctico) PLA a partir de láctido

Se han identificado cuatro mecanismos posibles para la polimerización por apertura de anillo del láctido (Kricheldorf, 2001): i. Catiónica: La iniciación envuelve ataque de un centro positivo sobre el oxígeno exocíclico para formar un dioxocarbocatión. La polimerización catiónica no es tan útil como la polimerización aniónica para sintetizar poliestéres de alto peso molecular (Odian, 2004). La ruta catiónica parece ser limitada por transesterificación intramolecular (ciclización), también como la transferencia a otras cadenas para reacciones de polímeros. Estas polimerizaciones son muy rápidas y pueden tener lugar a bajas temperaturas. Los iniciadores generalmente son ácidos de Brönsted, ácidos de Lewis o iones carbonio. Por lo general a los iniciadores se les da la función de catalizadores,

32 _____________________________________________________________________________________

puesto que, estos no se consumen apreciablemente en la reacción. La reacción de terminación se puede dar por pérdida de un protón mediante la reacción monomolecular, por reacción biomolecular debido a la presencia de un aceptor de protones, por captura de un anión o por mecanismo biomolecular con un donor de aniones. ii. Aniónica: En la polimerización aniónica se distinguen tres etapas: la primera, la iniciación en la que el monómero adquiere una carga negativa muchas veces por transferencia desde los iniciadores que son siempre donadores de electrones, como bases de Lewis o derivados organometálicos, que produce la apertura del anillo (división enlace oxigeno-acilo). La segunda etapa, es la propagación en el que la cadena radical-ión puede adicionar monómero por los dos extremos o puede ocurrir que dos radical-ión dimericen, formando un anión divalente que puede propagarse por ambos extremos de igual forma. Existe una última etapa que es la terminación, puede darse por reacción con una sustancia de tal forma que reaccionan con el oxígeno y todos los donores de protones, puesto que, por repulsión electrostática las cadenas no pueden recombinarse y continúan activas, aún después de que todo el monómero se ha consumido por lo que se llaman “polímero vivos”. iii. Coordinación-inserción: Se puede presentar por dos mecanismos: uno el mecanismo bimetálico, en el que el monómero forma inicialmente un complejo de coordinación con el catalizador, que luego es insertado en el enlace polarizado del extremo de la cadena que se propaga. Se usan catalizadores complejos de metales de transición como Al, Zn, Bi, Fe, Sn. En el mecanismo monometálico primero se produce la formación de centros activos, una vez formados, el monómero se coordina con el orbital vacante del metal, pero con una orientación diferente a la del mecanismo bimetálico y se inserta a continuación en la cadena; una vez se ha incorporado el monómero en la cadena en crecimiento se regenera el orbital octaédrico vacante del metal, pero ahora con una orientación diferente. Aunque estrictamente no se conoce el mecanismo de reacción, sí se ha encontrado que por lo general la polimerización catiónica lleva a polimerizaciones muy lentas, la aniónica tiende a presentar racemización en el polímero y por último la de coordinación-inserción en la cual prácticamente no se encuentran los inconvenientes anteriormente mencionados y en cambio sí puede llevar a altos pesos moleculares. El uso de octoato de estaño (Dong et al, 2002) como catalizador ha permitido obtener PLA con pesos moleculares de 50×104 (Hyon et al, 1997), 4×105 (Zhang et al, 2004). Otros catalizadores comúnmente usados en la poliesterificación de ácido láctico son el SnCl2*2H2O y la mezcla con ácido p-toluensulfónico monohidratado. El poli(L-ácido láctico) (L-PLA) es un polímero semicristalino (cristalinidad ∼37%), que exhibe altos esfuerzos tensiles y baja elongación, lo que lo hace útil para ser usado como sutura (Tabla 1-2). La estabilidad térmica del L-PLA es muy pobre a elevadas temperaturas. Sin embargo, su proceso de biodegradación puede durar hasta dos años lo que limita sus aplicaciones. El poli(D,L-ácido láctico) (DL-PLA), es un polímero amorfo que tiene una distribución isomérica al azar de ambas formas del ácido láctico pero aplicando una catálisis estereoselectiva los polímeros alcanzan a tener cristalización, por

33 _____________________________________________________________________________________

ejemplo el DL- PLA preparado usando catálisis alcoxido aluminio reporta una Tm = 191 ºC (Södergard et. al, 2002); en general el DL-PLA muestra bajos esfuerzos tensiles, alta elongación y más rápida degradación siendo este muy atractivo como sistema de liberación de fármacos.

Tabla 1-2: Propiedades físicas, mecánicas y degradación de PLA de alto peso molecular. (Middleton y Tipton, 2000)

Polímero Temperatura de fusión

(ºC)

Temperatura de transición vítrea (ºC)

Módulo Tensil (GPa)

Elongación (%)

Tiempo de degradación

(meses) L-PLA 173-178 60-65 2.7 5-10 >24

DL-PLA Amorfo 55-60 1.9 3-10 12 a 16

El peso molecular del polímero, así como el grado de cristalinidad influyen significativamente sobre las propiedades mecánicas. Esto se refleja en el esfuerzo a tensión y el módulo de PLA, que se incrementan en un factor de 2 cuando la masa molar promedio en peso es elevada de 50 a 100 KDa. (Södergard et.al, 2002). La solubilidad del PLA es fuertemente dependiente de la masa molar y el grado de cristalinidad: para el PLA enantiomericamente puro (PLLA) son buenos solventes los compuestos orgánicos ó fluorados, dioxano, dioxolano y furano. Para el poli (rac-lactido) son además de los anteriormente mencionados los compuestos orgánicos como acetona, piridina, xileno, etil lactato, entre otros. Típicamente son insolubles en agua, alcoholes como metanol, etanol, propilenglicol e hidrocarburos no sustituidos como hexano y heptano. (Sodergard et.al, 2002). Los homopolímeros de PLA presentan altos módulos de elasticidad y bajas resistencias a la tensión, lo cual no los haría útiles para la fabricación de películas, y debido a su carácter hidrófobo se hace difícil regular la velocidad de degradación (Yao et al, 2003). Para dar solución a este tipo de inconvenientes, y para lograr la obtención de polímeros con un espectro más amplio de aplicaciones, se ha recurrido a diferentes alternativas tecnológicas como la mezcla física de PLA con otros polímeros y la síntesis de copolímeros.

• Copolimerización de ácido láctico

Los copolímeros del ácido láctico han sido preparados para romper la cristalinidad de los homopolímeros y así acelerar el proceso de degradación (Dunne, et al, 2000). Además, han sido muy estudiados debido a que estos copolímeros son altamente biodegradables y los productos obtenidos son metabolizados y expulsados por el organismo humano (Middleton y Tripton, 2000; Jain, 2000).

34 _____________________________________________________________________________________

El monómero que probablemente ha sido el más estudiado en la formación de copolímeros con el LA es el ácido glicólico (GA), la reacción ocurre mediante la poliesterificación de los grupos funcionales de los monómeros; la influencia de las unidades de GA sobre la Tg, solubilidad y temperatura de fusión relativa al copolímero disminuyen con un incremento de GA en el copolímero (Lan et al, 2004; Kiss 2002; Dong et al, 2002; Ajioka, 1998). Los copolímeros de LA/GA son biodegradables y los productos de degradación tanto ácido láctico como glicólico son metabolizados en el cuerpo humano (Kiss 2002, Middleton y Tipton, 2000). Este copolímero es frecuentemente estudiado como microesfera para sistemas de liberación modificada de fármacos (Mercier et.al, 2005; Ramos et.al, 2000; Jelcic, 2004). Además del GA, otros monómeros que han sido usados para la síntesis de copolímeros de LA, la gran mayoría de estos copolímeros están enfocados en aplicaciones farmacéuticas. Los copolímeros de bloque presentan la característica que dentro de una misma cadena polimérica coexisten segmentos definidos de dos polímeros diferentes. Debido a la incompatibilidad termodinámica de la mayoría de los polímeros (Prausnitz et al, 1999), los copolímeros de bloque forman microestructuras micelares que pueden tener un alto potencial de aplicación en la industria farmacéutica. La mayoría de copolímeros de bloque sintetizados usando LA, se han hecho con el fin de buscar aplicaciones específicas en el campo farmacéutico y biomédico. Sin embargo, el grado de conocimiento fisicoquímico de estos compuestos no es el mismo que en copolímeros de bloque de origen petroquímico. Borda et al (2003), estudiaron la síntesis de copolímeros basados en PLA/(diisocianato de toluilo)/polietilenglicol (PEG)/polipropilenglicol (PPG) con el fin de formar un material potencialmente biodegradable con buen comportamiento mecánico. El producto obtenido corresponde a una estructura de bloques, mas sin embargo, el método usado fue extensión de cadena mediante los compuestos de isocianato. Ruan y Feng (2003) sintetizaron polímeros tribloque PLA/PEG/PLA con el fin de producir microesféras de liberación controlada de medicamentos. Otros copolímeros de bloque incluyen PLA/PEG/poly(L-lisina) (Deng et al, 2002); PLA/PEG (Ruan y Feng, 2003; Kim, et al 2004; Jeong, et al 1999); PLA/poli(ácido aspartico) (Shinoda et al, 2003). La incorporación de ácido cítrico como comonómero del LA para la formación de copolímeros multibloques de poli(ácido láctico co ácido cítrico)(PLCA) ofrece la posibilidad de controlar la biodegradación y reducir los niveles de LA en el sistema después de la degradación (Yao, et al, 2003). Las técnicas de polimerización incluyen la polimerización por pasos, donde un oligómero de PLA, se usa como comónomero con otro hidroxiacido. La apertura de anillo también permite la obtención de copolímeros de bloque (He et.al. 2004), buscando que el mismo mecanismo usado para la apertura de anillo pueda usarse para la polimerización del segundo bloque. En el grupo de investigación de ingeniería de biomateriales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional, se han desarrollado copolímeros a partir de ácido láctico. En la investigación de Sierra (2006) se sintetizaron poliéster- uretanos (PEU) a partir de prepolímeros de ácido láctico, 1,3 propanodiol y hexametilendiisocianato como extensor de cadena, obteniendo polímeros con pesos moleculares promedio en número entre 4411 y 5475 g/mol . En el trabajo de Rincón (2009) se obtuvieron polímeros de estrella de PLA usando pentaeritritol como núcleo de las cadenas de PLA, además se funcionalizó con ácido tioláctico con el objetivo de aumentar la capacidad bioadhesiva de los polímeros.

35 _____________________________________________________________________________________

Los investigadores Cohn y Salomón (2004) sintetizaron una serie de copolímeros multibloques derivados del PLA de tal forma que el PLA creaba los segmentos rígidos; sintetizaron PEO/PLA el cual presentó propiedades satisfactorias para ser usado como película para procedimientos de adhesión quirúrgica; además, polimerizaron PCL/PLA y polímeros tribloque PLLA-PCL-PLLA. La obtención de los copolímeros de PCL/PLA fue realizada primero por ROP y luego por extensión de cadena. El peso molecular de los copolímeros está en el rango de 89,000 y 124,000 con polidispersidad entre 1.5 y 1.8, estos copolímeros presentan una Tg˜ -30 ºC y Tm=42 ºC, las cuales son una combinación de las propiedades de los respectivos homopolímeros PLA y PCL (Tg = -60 ºC y Tm = 62 ºC). En cuanto a las propiedades mecánicas para todos los copolímeros se observó un esfuerzo tensil último alrededor de 32 MPa, su rigidez y la deformación variaron marcadamente de acuerdo a como el bloque de PLA aumentaba (Figura 1-6). La rigidez o endurecimiento gradual puede ser atribuido al efecto combinado del incremento del contenido de PLA aportándole progresivamente más bloques cristalinos.

Figura 1-6: Propiedades mecánicas del copolímero PCLA como función de la

composición. (a) esfuerzo de tensión ultimo (MPa), (b) Módulo de Young (MPa), (c) elongación a ruptura (%). Adaptado de Cohn y Salomón, 2004

36 _____________________________________________________________________________________

Polimerización por adición 1.2.2

En la polimerización de adición, monómeros insaturados reaccionan mediante el mecanismo de polimerización en cadena, por medio de tres etapas: iniciación en donde un agente activo inicia la reacción, propagación y terminación. Existen tres tipos por los cuales se puede efectuar la adición al doble enlace: a. Radicales libres: la generación de un radical libre inicia la reacción de adición al doble

enlace. b. Iónica: el agente activo es un ión y dependiendo del tipo de ión que se propague

durante el proceso de apertura del doble enlace puede ser catiónica ó aniónica. c. Coordinada: se lleva acabo empelando catalizadores heterogéneos (Ziegler-Natta)

que en general son complejos entre haluros de metales de transición y compuestos del tipo trialquil aluminio.

Estos tres tipos de mecanismos en condiciones eficientes son capaces de dar al polímero estereoespecificidad en orden creciente desde a hasta c.

• Polimerización por radicales libres

La polimerización por radicales libres (Figura 1-7), involucra tres etapas: iniciación, propagación y terminación que están presentes simultáneamente a lo largo de la reacción. La iniciación suele ser una reacción de adición entre el monómero o macromonómero y un radical libre procedente de la descomposición del iniciador. La segunda es la propagación en la que se va añadiendo monómeros al monómero ó prepolímero radical, formado en la etapa de iniciación, creciendo la cadena; esta reacción es una típica reacción en cadena en la que el producto es uno de los reactivos y la última, terminación donde el crecimiento de las cadenas se puede interrumpir por diversas causas por combinación, por desproporción o por transferencia bien sea a monómero, a polímero, o a solvente. Polímeros acrílicos son frecuentemente obtenidos por este mecanismo de reacción.

37 _____________________________________________________________________________________

a) Iniciación

I 2R*

b) Propagación

RM*R* + M

M*1 + M M2*

M*1 + M M2*...

.

.

.

.

.

.M*x + M Mx+1*

Kp

Kp

Kp

Kd

Kd

c) Terminación

M*x + M*yMx+y

Kt

M*x + M*yMx + My

Kt

M*x + S Mx + S*Kt

combinación

despoporicón

transferencia

Figura 1-7: Reacciones de polimerización por radicales libres.

• Copolimerización por radicales libres

Una de las desventajas del PLA es que al no tener grupos funcionales laterales, es muy difícil plantear condiciones de polimerización que permitan la formación de ramificaciones sobre su estructura, por lo tanto se han sintetizado copolímeros de injerto, en los cuales se buscan formar ramificaciones de poli(ácido láctico) sobre otras matrices poliméricas. Son diversos los polímeros que se han modificado con ramificaciones de PLA: acrilatos (Langlois et al 2002), acetato de celulosa (Teramoto y Nishio, 2003), amilosa (Lozano 2006; Ohya et al, 1998), quitosano (Yao et al 2003), poli(alcohol vinílico) (Breitenbach, et al 2000). La producción de este tipo de polímeros requiere que al PLA se le incorporen grupos funcionales que puedan introducir el injerto, esto puede ser logrado por diversas rutas por ejemplo Eguiburu y colaboradores, 1996 por un lado y Wallach et. al, 2000 por otro han sintetizado polímeros de injerto partiendo de la funcionalización de lacturo con metacrilato de 2-hidroxietilo por apertura de anillo y una posterior polimerización por radicales libres con metacrilato de metilo y anhídrido itacónico. Liang y colaboradores (2005) prepararon polímeros ambientalmente sensibles de acrilamida y acrilatos (Figura 1-8) donde los segmentos hidrófobos del DL-PLA fueron injertados sobre la cadena de poli(N-isopropil acrilamida -co- ácido metacrílico) para formar nanopartículas coraza-

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corazón biodegradables. Los polímeros tienen una Tg alrededor de 47°C, peso molecular en número de la ramificación entre 9000 y 17000 y peso molecular de la cadena alrededor de 6000.

Figura 1-8: Esquema de reacción para obtención del copolímero de injerto PLA-P(NIPAm-co-MMA).a)PLA-MA macromonómero; b)copolímero PLA-P(NIPAm-co-MMA).(NIPAm: N-isopropil acrilamida); (MAA: ácido metacrílico)

Las investigaciones en copolímeros de ácido láctico continúan y están encaminadas a incorporarlos a otros polímeros de tal forma que además de transformar sus propiedades permitan un aumento de su degradación. Se plantea por ejemplo modificaciones con polioles (Sierra 2006) y monómeros dicarboxilicos que provienen de materiales naturales y que pueden promover ramificación de cadenas de polímeros lineales por su doble funcionalidad de polimerizar por condensación y por radicales libres.

O

O

O

O

CH2 OH

Sn(Oct)2/Tolueno 130 ºC

Cl

O

+

0ºC, 6h25ºC , 24h

O

-OH

m

O

OO

m

O

O

D-L-lactida PLA PLA-MA

MACl

NH

O

+

OH

O

+

O

O

O

O

n

AIBN

Acetona70ºC, 24h

NHOH

O

O

n

OOO

O

x y z

MAA

PLA-MA

PLA-g-P(NIPAm-co-MAA

NIPAm

a)

b)

39 _____________________________________________________________________________________

2. Materiales y métodos

La experimentación puede ser vista en tres fases: La primera consiste en la síntesis de homopolímero de ácido láctico y oligomeros funcionalizados con ácido itacónico (IA) y ácido maléico (MA), que son los polímeros base de este estudio. La segunda enfatiza en la obtención de copolímeros a partir de los prepolímeros y monómeros vinílicos como ácido acrílico (AA), ácido metacrílico (AM) y metil metacrilato (MMA). La tercera hace referencia a la degradación hidrolítica y enzimática de los polímeros. Las variables a evaluar propuestas en la tesis son:

~ En cuanto a la preparación de oligomeros funcionalizados, el efecto de la cantidad de comonómero y condiciones de reacción como temperatura y tiempo de polimerización.

~ En la copolimerización la variación de macromonómero (PLIA, PLMA) y serie de

comonómero (MMA, AA, AM).

~ Para la degradación de los polímeros, el pH de las soluciones tampón y el deterioro del material.

2.1 Materiales empleados

Para la síntesis de homopolímero y oligomeros o prepolímeros se empleó el ácido DL láctico (dl-AL) de Sigma, es una mezcla equimolar de las dos formas enantiomericamente puras del ácido en concentración de 11,3 M (85 % p/p). Ácido itacónico (IA) de Aldrich al igual que el ácido maléico (MA) de Merck son ácidos que en sus estructuras contienen dos funciones químicas: por una parte dos grupos carboxílicos, y por otra un doble enlace. Como catalizador se usó el octoato de estaño Sn(Oct)2 al 95 % de Sigma, este es un ácido de Lewis y un fuerte catalizador de intercambio en éster por rompimiento de enlaces alquil-oxígeno.

40 _____________________________________________________________________________________

Para la polimerización por radicales libres se seleccionaron los monómeros acrílicos: ácido acrílico (AA), ácido metacrílico (AM) y metil metacrilato (MMA) de Merck y como iniciador peróxido de benzoilo (BPO) también de Merck. Como solvente en la polimerización por radicales libres se usó el dioxano de Sigma Aldrich. Otros reactivos utilizados como solventes fueron: alcohol etílico absoluto, tolueno, benceno, xileno, diclorometano, éter, dibutil éter, cloroformo, THF, tetracloruro de carbono, heptano y cilcohexano. Todos los reactivos se emplearon tal y como se recibieron. Para los ensayos de resonancia magnética nuclear se utilizó cloroformo deuterado de Merck.

2.2 Polimerización por condensación de ácido láctico

Un número considerable de reacciones han sido planteadas para la policondensación del ácido láctico, en este caso se trabajó con la reacción de poliesterificación directa del ácido láctico, esta ruta permite obtener polímeros de bajo peso molecular. En experiencias previas del grupo de investigación realizadas por Sierra (2006) y Rincón (2009) se demostró la eficacia del octoato de estaño como catalizador a una concentración del 0,05 % para reacciones de homopolimerización de ácido láctico y su funcionalización con grupos hidróxilo.

Figura 2-1: Equipo para la reacción de policondensación de ácido láctico y oligomeros funcionalizados.

El equipo usado en la polimerización por condensación (Figura 2-1) consta de un reactor de vidrio de 4 bocas enchaquetado por baño de aceite, un condensador de vidrio conectado desde el reactor a un balón de 250ml. Para reducir la presión se utilizó una

41 _____________________________________________________________________________________

bomba de vacío con su respectiva trampa de silica. La agitación mecánica se hizo con una barra magnética y una placa de agitación. El sistema de calentamiento está compuesto por un baño termostatado de aceite recirculante “Cole-Parmer Polystat” con controlador de temperatura que permite programar y controlar las rampas definidas. La temperatura dentro del reactor se siguió por medio de una termocupla. Los primeros ensayos fueron realizados con el monómero d,l-ácido láctico para obtener el homopolímero (Tabla 2-1). Estas pruebas permitieron definir y ajustar las condiciones de reacción para las reacciones de funcionalización del ácido láctico con los monómeros dicarboxílicos ácido itacónico y ácido maléico. Los perfiles de temperatura y presión (Figura 2-2) se definieron de la siguiente manera: alrededor de 200 ml de d,l-ácido láctico fueron agregados en un reactor de 500 ml. Luego la temperatura aumenta a 100 °C de acuerdo a una rampa de calentamiento de 1 °C/min, con atmósfera inerte de nitrógeno y agitación constante. Además con una rampa de 0,7 KPa/min, la presión es disminuida desde 74,5 KPa hasta 23,7 KPa. Luego que el sistema se encuentra estabilizado, las condiciones se mantienen por un tiempo aproximado de 2,5 horas de tal manera que se logra la deshidratación de la solución.

Figura 2-2: Perfiles de presión y temperatura para la obtención de homopolímero de d,l-ácido láctico (PLA)

Transcurrido el tiempo de deshidratación se agrega por goteo 0,05 % (p/p) de catalizador Sn(Oct)2; con rampas de 0,27 °C/min y 0,7 KPa/min se lleva a temperatura y presión de reacción (Tabla 2-1). Luego que el sistema ha alcanzado las condiciones de reacción se conserva por el tiempo restante de polimerización. La reacción termina con un rápido

0

20

40

60

80

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Pre

sión

vac

ío (K

Pa)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Tem

pera

tura

(ºC

)

Tiempo (min)

Presión

Temperatura

42 _____________________________________________________________________________________

enfriamiento debido a la interrupción del calentamiento; el polímero es extraído en un recipiente de vidrio y almacenado en desecador.

Tabla 2-1: Homopolimerizaciones y copolimerizaciones de d,l-ácido láctico

Nombre Concentración (%p/p)

Temperatura reacción

(°C)

Tiempo reacción

(h)

Presión (KPa)

Hom

opol

ímer

o

PLA N.A 150 10 23,7

PLA

N.A

120 5 23,7

Olig

ómer

o PLIA 6 150 5,8,10,12,16 23,7

1,4,6,9 150 10 23,7

PLMA

6 120 5,8,10,12,16 23,7

4,9 120 10 23,7 N.A. : no aplica; PLA: Poli(dl ácido láctico); PLIA: Poli (ácido láctico-co- ácido itacónico)PLMA: Poli (ácido láctico-co-ácido maléico).

La obtención de oligomeros funcionalizados (PLIA: poli(ácido láctico -co- ácido itáconico); PLMA: Poli(ácido láctico -co- ácido maléico) se realizó variando las concentraciones de monómeros así como el tiempo de reacción (Tabla 2-1) manteniendo la concentración de catalizador en 0,05 %. En el caso de las polimerizaciones para obtención de estos oligomeros se siguió un procedimiento similar al descrito en párrafos anteriores (Figura 2-3) con las siguientes variaciones:

~ Los monómeros dicarboxílicos (IA, MA) se cargaron en el reactor simultáneamente con el ácido láctico, la disolución se realizó con agitación constante desde temperatura ambiente hasta 60 °C con rampa de 1 °C/min, el sistema permaneció a condiciones de disolución por 20 minutos al cabo del cual se garantizó completa homogeneidad del medio reaccionante para una posterior deshidratación.

~ La temperatura de reacción para la síntesis de oligomeros funcionalizados con

ácido maléico fue menor que aquella para el oligómero de ácido itacónico (Tabla 2-1).

43 _____________________________________________________________________________________

Figura 2-3: Rampa de presión y temperatura para la obtención de oligomeros funcionalizados de d,l-ácido láctico con ácido itacónico.

2.3 Polimerización por radicales libres

La técnica de polimerización utilizada fue polimerización en solución y de acuerdo con estudios previos de solubilidad, el solvente indicado para la polimerización por radicales libres entre oligomeros funcionalizados con ácido itacónico y ácido maléico fue el dioxano.

Homopolimerización 2.3.1

Se realizaron ensayos con tres monómeros acrílicos (Tabla 2-2). Una solución de iniciador peróxido de benzoilo (BPO) en dioxano fue adicionada a una mezcla de monómero con solvente (dioxano) y homogeneizada con agitación mecánica en un vortex. Se colocó la mezcla reaccionante en el baño termostatado “Cole-Parmer Polystat”, a las condiciones de reacción (Tabla 2-2). Para asegurar la polimerización la temperatura se elevó en 10 °C por una hora más.

0

20

40

60

80

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Pre

sión

vac

ío (K

Pa)

0

20

40

60

80

100

120

140

160T

empe

ratu

ra (º

C)

Tiempo (min)

Presión

Temperatura

disolución deshidratación policondensación

44 _____________________________________________________________________________________

Tabla 2-2: Condiciones de reacción para homopolimerización de monómeros acrílicos.

Monómero Iniciador

BPO (%p/p)

Relación en volumen

Solvente:monómero (ml)

Temperatura de reacción

(°C)

Metacrilato de Metilo

0,5 1:1

80

Ácido acrílico

0,5 1:1

70

Ácido metacrílico

0,5 1:1

70

Estas reacciones de homopolimerización fueron necesarias para determinar las condiciones de reacción de las copolimerizaciones entre los oligomeros funcionalizados de ácido láctico y los monómeros acrílicos.

Copolimerización 2.3.2

Como en la reacción por radicales libres, la transferencia de cadena a solvente puede llegar a ser un problema se realizaron varios ensayos previos que permitieron ajustar la cantidad de solvente de tal manera que fuera suficiente para homogenizar todo el sistema reaccionante sin tenerlo en exceso. Por lo anterior la cantidad de solvente fue determinada de acuerdo con la relación solvente- masa reaccionante ( oligomero funcionalizado más monómero acrílico) de 1,2:1. El macromonómero (Tabla 2-3) fue mezclado con dioxano, con una agitación mecánica inicial en un vortex por 5 minutos dejándola en reposo por un espacio de 12 horas, al término de este tiempo se agitó nuevamente evidenciándose la uniformidad de la mezcla. Seguido, el iniciador (BPO) fue disuelto en dioxano y adicionado junto con el comonómero acrílico a la mezcla macromonómero-dioxano. Todo el sistema fue agitado por un tiempo suficiente hasta verificar homogeneidad. Después, los tubos de ensayo fueron colocados sobre una malla acondicionada a un baño termostatado “Cole-Parmer Polystat” (Figura 2-4), se llevaron a temperatura de reacción y se mantuvieron por el tiempo estimado para la reacción por radicales libre. La reacción se aseguró aumentando la temperatura 10 °C por 1 hora más. La cantidad de iniciador (BPO) se ajustó desde 0,5 % para MMA hasta 0,3 % para AA y AM debido a que las polimerizaciones de oligomeros de ácido láctico con AA y AM

45 _____________________________________________________________________________________

presentaron reacciones violentas con eyección del polímero desde el tubo de ensayo cuando la cantidad de peróxido fue de 0,5 %.

Tabla 2.3: Condiciones de reacción para copolimerización.

Figura 2-4. Polimerización por radicales libres. a) homogeneidad del sistema reaccionante. b) y c) Equipo de reacción

Al finalizar la reacción entre oligomeros PLIA-MMA y PLMA-MMA, la solución resultante fue homogénea y altamente viscosa. Posteriormente, los polímeros fueron precipitados por una secuencia de lavados con agua y heptano y secados en estufa (Figura 2-5). Los polímeros obtenidos de ácido acrílico y ácido metacrílico mantuvieron atrapado el solvente dentro de su estructura.

Macromonómero Comonómero

Iniciador (BPO)

(%p/p)

Relación en volumen/masa: comonómeros

(ml/g)

Temperatura de reacción (°C)

PLIA

MMA 0,5 1,2:1 80

AA 0,3 1,2:1 70

AM 0,3 1,2:1 70

PLMA

MMA 0,5 1,2:1 80

AA 0,3 1,2:1 70

AM 0,3 1,2:1 70

46 _____________________________________________________________________________________

Figura 2-5: Precipitación de polímeros derivados de los oligomeros PLIA y PLMA y los monómeros AA y AM.

2.4 Caracterización de oligomeros y polímeros sintetizados

Resonancia Magnética Nuclear (RMN) 2.4.1

La espectroscopia por resonancia magnética nuclear (RMN), protónica (1HRMN) y carbono-13 (13CRMN), fue usada para el análisis de los productos obtenidos de las reacciones de policondensación y copolimerización por radicales libres. El equipo disponible fue un espectrómetro de transformada de Fourier (FTRMN) marca BRUKER modelo ACP400 (Figura 2-6), que consiste en superconductores que producen un campo magnético de elevada intensidad (50-100 kG), dentro de los cuales se coloca la muestra. Este instrumento utiliza magnetos muy potentes e irradia la muestra con radiación electromagnética en la región de radiofrecuencia.

47 _____________________________________________________________________________________

Figura 2-6: Equipo BRUKER modelo ACP400 para resonancia magnética nuclear (RMN)

Para la realización de los espectros de RMN de los polímeros sintetizados en este trabajo, las muestras se introdujeron en unos tubos de vidrio especiales de unos 3 mm de diámetro y 10 cm de altura. La cantidad de muestra necesaria para un ensayo de RMN fue de 15-25 mg para los 1H-RMN y de 70-90 mg para los de 13C-RMN. Las muestras sólidas primero fueron disueltas en cloroformo deuterado (CDCl3). Como compuesto de referencia se empleó tetrametilsilano (TMS). Las mediciones se hicieron operando a 400 MHz (1H) y 100 MHz (13C). Los datos fueron interpretados en el software MestRec NMR Data Processing Made Easy 4.8.6.0.

Calorimetría diferencial de barrido (DSC) 2.4.2

Los análisis térmicos se realizaron en un calorímetro diferencial de barrido TA INSTRUMENTS DSC2910 modulated. El instrumento, consta de dos celdas, en una de ellas se coloca una cápsula cerrada de aluminio con el material a ensayar y en la otra una cápsula igual, pero vacía, que sirve como referencia. Por debajo de estas se encuentran las termocuplas de superficie chromel/constantan formadas por la unión entre la plataforma de constantan y el disco de chromel unidos en la parte inferior de la plataforma, estas termocuplas siguen la relación de flujo de calor hacia la muestra y la referencia.

48 _____________________________________________________________________________________

Para los materiales en estudio, aproximadamente 10 mg de cada muestra se pesaron y fueron colocadas en una cápsula hermética de aluminio. Una vez encapsulada la muestra se programa el equipo para cargarla a temperatura ambiente (27 °C), donde según parámetros experimentales se debe iniciar la corrida. El análisis térmico se realizó con dos barridos a una velocidad de calentamiento de 10 °C/min desde temperaturas muy bajas -60 °C hasta aproximadamente 140 °C. Como gas de purga se utilizó nitrógeno a un flujo de 50 ml/min y el sistema de refrigeración trabajó con el mismo gas con un flujo de 100 ml/min. Los resultados obtenidos se analizaron en el Universal Análisis Windows 95/NT (v2.4F) Copyright © 1998 TA Instruments, Inc, software que hace parte del equipo.

Cromatografía de permeación en gel 2.4.3

Para la determinación de los pesos moleculares de los polímeros, su usó un cromatografo Waters 410. Previo estudio de solubilidad, cada una de las muestras fue disuelta en tetrahidrofurano (THF) quedando con una concentración aproximada de 3 mg/ml. A continuación, se inyectaron 20 µl de la disolución a una velocidad de 1 ml/min, en una columna cromatográfica cuyo interior contiene principalmente poliestireno. En el interior de la columna cromatográfica, se produce un fraccionamiento de la solución de polímero circulante en función de su tamaño molecular y de la distribución de tamaño de poro de la columna polimérica. Las moléculas de mayor tamaño se arrastran con el disolvente, tardando menos tiempo en atravesar la columna mientras que las de menor tamaño son retenidas en el interior durante un tiempo más prolongado. A la salida de la columna se registra la variación entre el índice de refracción del disolvente puro y la fracción recogida con un detector de índice de refracción ( RI 410 ).

Valor ácido 2.4.4

Aquellos polímeros producidos por policondensación de grupos alcohol y carboxilo (serie PLIA, serie PLMA) se les pueden determinar los rendimientos mediante la titulación de los grupos libres.

Para el valor ácido se utilizó un titulador automático METTLER TOLEDO DL 53 (Switzerland), usando un electrodo Mettler Toledo DG 111-SC (3 M KCl saturado con AgCl). Alrededor de 20 mg de muestra fueron pesadas y disueltas en 40 ml de una solución de tolueno/etanol (1:1 p/p) y/o tolueno/acetona (1:0.2 p/p). Como agente titulante se empleó KOH en etanol en una concentración aproximada de 0.08 N.

49 _____________________________________________________________________________________

Solubilidad 2.4.5

La solubilidad se realizó con base en la norma ASTM-D3132-84 para cuatro tipos de oligomeros (PLIA5h, PLIA10h, PLMA 5h, PLMA10h) a una relación peso a volumen oligomero/solvente de 1:2 y 1:1 y dos temperaturas 20 °C y 50 °C y para los tres comonómeros (MMA, AA, AM) con el fin de encontrar el mejor solvente que garantizaran homogeneidad del sistema para la reacción de copolimerización por radicales libres.

Tabla 2-4: Oligómeros y monómeros para pruebas de solubilidad

El procedimiento seguido en el trabajo consiste en depositar alrededor de 4 g del polímero en un frasco de vidrio con tapa al que se añade alrededor de 6 ml de disolvente (Tabla 2-4). Se agita durante unos minutos y se examina para ver si se logra la disolución o cambia el aspecto del polímero. Cuando no se aprecian cambios a temperatura ambiente, se repite el ensayo calentando el tubo a una temperatura que no exceda la temperatura de ebullición del disolvente y se realizan las mismas observaciones. Así mismo, las muestras son dejadas alrededor de 8 días para determinar el comportamiento con el solvente.

2.5 Degradación de oligomeros y polímeros

En este Proyecto se han llevado a cabo estudios de degradación hidrolítica y enzimática de los polímeros PLIA, PLMA, PLIA-MMA, PLIA-AA, PLIA-AM, PLMA-MMA, PLMA-MA, PLMA-AA (Figura 2-7), con base en las experiencias dentro del grupo de investigación (Sierra, 2006). Complementario se evaluó el comportamiento de las muestras al hongo Aspergillius especie Níger.

Polímero Solventes

PLIA5h, PLIA10h, PLMA 5h, PLMA10h

Etanol, diclorometano, éter, dibutil éter, cloroformo, metil metacrilato, ácido acrílico, ácido metacrílico, tetracloruro de carbono, heptano, tetrahidrofurano, dioxano.

MMA, AA, AM

Etanol, diclorometano, éter, dibutil éter, cloroformo, tetracloruro de carbono, heptano, tetrahidrofurano, dioxano.

50 _____________________________________________________________________________________

Figura 2-7: Montaje del sistema para degradación hidrolítica y enzimática

Para llevar a cabo el estudio de degradación de los polímeros fue necesario obtener las muestras en forma cuadrada de aproximadamente 1,5 cm de lado y 0,2 mm de espesor. El procedimiento seguido para conseguir estas láminas consistió en obtener primero películas del mismo espesor pero de 10 cm de diámetro disolviendo los polímeros en THF y Cloroformo y luego con una cuchilla se cortó la placa en partes iguales de 1,5 cm de lado cada una aproximadamente. Seguido se mide el espesor en el centro de cada probeta. Con los oligómeros se presentaron dificultades en la elaboración de las películas, por tanto fue necesario moldearlos a formas cuadradas con la misma dimensión y espesor.

Ensayos de degradación hidrolítica 2.5.1

La degradación hidrolítica de los polímeros estudiados se ensayó en dos medios distintos (medio ácido y medio neutro). La composición final de los distintos tampones fue calculada garantizando una misma fuerza iónica de 0,15 (anexo A). Basados en la norma técnica ASTM E-895 y en experiencias previas del grupo de investigación hechas por Sierra (2006), se diseñó el ensayo de tal manera que se agregaron 6 ml de solución tampón a un tubo de ensayo de diámetro y longitud uniforme así:

~ Medio ácido (pH=4,5) a 36 ºC (+- 2 °C): cada muestra se sumergió en tampón fosfato y se colocó en un baño maria a 36 °C (+-2 °C).

~ Medio con pH=7,0 a 36 ºC (+- 2 °C) (condiciones próximas a las fisiológicas):

cada muestra se sumergió en tampón fosfato y se colocó en un baño maria a 36 °C (+-2 °C).

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Ensayos degradación enzimática 2.5.2

La degradación enzimática de los polímeros se estudió con Lipasa 20 suministrada por MERQUIAN utilizando una solución semejante a la de degradación hidrolítica ( tampón de pH = 7,0 a 36 ºC). Las muestras de cada uno de los polímeros se colocaron en un tubo de ensayo que contiene 10 ml de solución de fosfato. La concentración de enzima en la disolución fue de 1 mg/ml. El equipo disponible para la degradación fue el mismo que aquel usado en la degradación hidrolítica.

Extracción de las muestras 2.5.3

Pasados los días de incubación previstos para el ensayo (Tabla 2-5), ésta fue extraída asegurándose de que esté perfectamente limpia para su posterior estudio.

Tabla 2-5: Tiempo de incubación para ensayos de degradación

Ensayo Tiempo de incubación

(horas)

Medio ácido 144

Medio a pH 7,0 144

Enzimática 64

En general, se extrae primero el medio de incubación vaciando el frasco que contiene la muestra. A continuación se añade agua destilada al frasco, de tal forma que la muestra quede sumergida en el agua y así se limpie. Finalmente se saca la muestra, se seca con papel y se deposita en un frasco pequeño.

Exposición de los oligómeros y polímeros al hongo 2.5.4Aspergillius Niger

En la degradación de los polímeros, se efectuaron pruebas de degradación biológica, empleando un hongo del género Aspergillus especie níger, un hongo ambiental de fácil proliferación, proveniente en este caso de la cascarilla de arroz; aislado, incubado y proporcionado por el IBUN (Instituto de Biotecnología de la Universidad de Colombia).

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Las condiciones óptimas de crecimiento para éste hongo son: pH 5,6 y temperatura 28 °C. Con el objetivo de estandarizar cada una de las pruebas realizadas, se preparó una solución isotónica de NaCl 0,9 % (p/v), en la cual se dispusieron las esporas del hongo para el posterior conteo de las mismas por medio de la cámara de Neubauer (anexo B), con esto se garantizó que en cada una de las pruebas efectuadas la concentración de esporas fuera la misma, correspondiente a 1,35*106 esporas/ml. La solución permite mantenerlas en un estado en el cual no están proliferándose pero tampoco están muriendo, por tanto fue importante mantenerla refrigerada a 4°C. La preparación y tamaño de las muestras fue el mismo que el dispuesto para la degradación hidrolítica y enzimática. Las muestras de polímero fueron cargadas en un medio previamente preparado acompañadas de dos referencias la primera, yodopovidona (material astringente) y la segunda el polímero completamente sintético (Figura 2-8). Todas las muestras de polímero fueron expuestas al hongo por un tiempo de 9 días.

Figura 2-8: Ejemplo de montaje para exposición de polímeros al hongo Aspergillus Niger

Caracterización por microscopía electrónica de barrido 2.5.5

Las muestras de oligómero y polímero expuestas a degradación hidrolítica, enzimática y aspergillus fueron valoradas mediante inspección visual empleando microscopía electrónica de barrido de tal manera que por comparación de muestras originales y muestras degradadas se pueda determinar el efecto de los medios ambientales sobre cada una de ellas.

yodopovidona

PMA PLIA-MA

53 _____________________________________________________________________________________

El equipo usado fue un Microscopio de Barrido FEI QUANTA 200 con un detector Everhart-Thorney, a una aceleración de 20 Kv en modo de alto vacío. El diámetro del haz con que se barrió la muestra fue de 4,0 es decir intermedia magnificancia, con una distancia entre el cañón y la muestra de trabajo entre 7 y 16 mm. La metalización de las muestras se realizó en un sputter SDC-050 de la Marca Balzers, en vació intermedio (<10-2 Torr) con argón como gas de ataque (plasma) sobre una placa de oro-paladio (1:1, ánodo)). La película resultante depositada sobre las muestras (cátodo) es de +/- 5 nm de espesor y fue depositada con una diferencia de potencial de +/- 50 mA.

54 _____________________________________________________________________________________

55 _____________________________________________________________________________________

3. Resultados y análisis

En este capítulo se presentan los resultados producto de los experimentos y métodos explicados en el capítulo anterior junto con su respectivo análisis.

3.1 Síntesis de oligómeros y polímeros derivados del dl-ácido láctico

Se obtuvieron dos homopolímeros de dl- ácido láctico por poliesterificación directa con octoato de estaño como catalizador. El primero, producto de la reacción a 150 °C y 10 horas que fue planeado para tener como referencia para el estudio de todos los oligomeros funcionalizados con ácido itacónico. Este polímero de consistencia altamente viscosa, tiene una coloración amarilla y de fácil adherencia. El segundo homopolímero es un dl- PLA obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción que se usó como referencia para el estudio de los oligomeros funcionalizados con ácido maléico. Este homopolímero con alta adherencia tiene una coloración ligeramente amarilla, con baja viscosidad comparada con el anterior, difícil de manipular y moldear. En este trabajo se propusieron las reacciones para la síntesis de los oligomeros de ácido láctico funcionalizados tanto con ácido itacónico como ácido maléico (Figura 3-1). La temperatura de reacción para la policondensación con ácido maléico no pudo ser la misma que para con ácido itacónico (T=150 °C) debido a que la temperatura de ebullición de este material está alrededor de 135 °C y por tanto iba a ser arrastrado por los vapores de condensación. Todos los oligomeros de ácido láctico funcionalizados tanto con ácido itacónico como ácido maléico sintetizados tienen una coloración amarilla que se incrementa con el aumento del tiempo de reacción (Figura 3-2). Asimismo las viscosidades de los oligomeros se elevan con el creciente tiempo de reacción sin alcanzar un estado rígido. Los oligomeros sintetizados modificando la cantidad de monómero dicarboxílico presentan un comportamiento contrario, es decir a mayor cantidad de monómero

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dicarboxílico la viscosidad del oligómero disminuye. Este aspecto es crítico en los oligómeros derivados de ácido maléico pues, cuando están fabricados en los menores tiempos (5 h y 8 h) son muy fluidos y se dificulta su manipulación. Una propiedad importante observable de estos materiales es su adherencia que es creciente en aquellos oligómeros obtenidos a menor tiempo de reacción.

Figura 3-1: Arriba. Reacción de policondensación entre ácido láctico y ácido itacónico para obtener PLIA. Abajo. Reacción de policondensación entre ácido láctico y ácido maléico para obtener PLMA.

Figura 3-2: Oligómeros obtenidos a partir de ácido láctico y ácido itacónico a T=150 °C. Izquierda. Tiempo de reacción entre 5 y 16 horas. Derecha. Composiciones de monómero dicarboxílico entre 1 y 9 %.

La tendencia de desaparición de grupos carboxilo para los dos tipos de reacciones planteadas se determinó mediante el cálculo del valor ácido a cada uno de ellos (Figura 3-3 y 3-4). Los resultados obtenidos en la titulación potenciométrica representan los grupos ácido carboxilo libres de las muestras al final de la reacción teniendo en cuenta que en este valor se incluyen los grupos carboxilo terminales de las cadenas de polímero formadas.

C

HO

H2C C

CH2

C

O

OH

O

+CHC

HO

CH3O

HO

C CH

O O

CH3

CH2C C

CH2

C

O

OH

O

n

+ nH2O

OSn(Oct)2

T, P

57 _____________________________________________________________________________________

En cuanto a los oligómeros de PLIA, la desaparición de grupos carboxilo debida a la reacción con grupos hidroxilo del ácido láctico es favorecida con un aumento en el tiempo de reacción y se puede observar que tiende a estabilizarse a tiempos de reacción altos. Esto indica que la terminación de la reacción para la síntesis de PLIA no sólo puede estar dada por la suspensión del calentamiento sino por el agotamiento de grupos hidroxilo. Por otro lado, para los oligómeros de PLMA la tendencia de desaparición de grupos carboxilo es creciente a medida que el tiempo de reacción es mayor sin observarse estabilización como se observó para PLIA por lo que se concluye en este caso que la terminación de la reacción para la obtención de PLMA es principalmente debida al descenso de la temperatura. Figura 3-3: Valor ácido para los oligómeros obtenidos a partir de la reacción entre ácido

láctico-ácido itacónico.

Como se indicó en el capítulo 2 la reacción de polimerización por radicales libres se llevó a cabo en solución. Al realizar la solubilidad de los oligómeros en los monómeros acrílicos (tabla 3-1, Figura 3-5), los resultados mostraron que oligómeros de PLIA son solubles en ácido acrílico y metacrílico e insolubles en metacrilato de metilo a diferentes proporciones PLIA/MMA (Figura 3-5) y en general oligómeros de PLMA son insolubles en los monómeros acrílicos de estudio; entonces estos resultados generan sistemas de reacción no homogéneos que no son objeto de estudio en este trabajo.

70

90

110

130

150

170

190

210

230

4 9 14

Val

or

ácid

o (

mg

KO

H /

g p

olím

ero

)

tiempo de reacción (h)

Oligomeros PLIAobtenidos a 150°C y10h de reacción

Oligomeros de PLIAobtenidos a 150°C y6% de áicdo itacónico

1%

6%

4%

9%

PLA

58 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-4: Valor ácido para los oligómeros obtenidos a partir de la reacción entre ácido láctico-ácido maléico

Figura 3-5: Solubilidad de PLIA10h en: a.dioxano, b.diclorometano, c. dibutil éter, d. MMA. 1. Relación oligómero/MMA1:0,5, 2.Relación oligómero/MMA1:1, 3. Relación oligómero/MMA1:2, 4. Relación oligómero/MMA1:3.

En la elección del solvente para la polimerización por radicales libres entre los oligómeros y los monómeros acrílicos se evaluó el comportamiento de diferentes sustancias con los dos tipos de oligómeros (Tabla 3-1). Algunos compuestos como el tetracloruro de

140

160

180

200

220

240

260

4 9 14

Val

or

ácid

o (

mg

KO

H /

g p

olím

ero

)

tiempo de reacción (h)

Oligomeros de PLMAobtenidos a 120°C y10 h de reacción.

Oligomeros de PLMAobtenidos a 120°C y6% de ácido maléico

6%4%

9%

PLA

59 _____________________________________________________________________________________

carbono y el heptano no son buenos solventes para los oligomeros, en cambio otras moléculas (etanol, metacrilato de metilo) se difundieron dentro del polímero produciendo un hinchamiento del mismo (Figura 3-4), pero esta situación no fue superada y la etapa de disolución se detuvo debido a que, las fuerzas intermoleculares oligómero- oligómero fueron lo suficientemente grandes como para impedir la disolución completa. Por tanto la solubilidad se ensayó a una mayor temperatura sin obtener mejores resultados y se concluye que este tipo de solventes no son adecuados para los oligomeros de ácido láctico funcionalizados. Sin embargo, el dioxano mostró completa afinidad con la estructura de oligómero, siendo este el mejor solvente para los oligómeros de estudio.

Tabla 3-1. Solubilidad de oligómeros de ácido láctico- ácido itacónico y oligómeros de ácido láctico- ácido maléico.

S: soluble, L: límite, I: insoluble

Solvente

PLIA10h PLMA10h

20 °C 50 °C 20 °C 50 °C

Etanol L S I L

Diclorometano S S S S

Eter I I I I

Dibutil éter I I I I

Cloroformo L L S S

THF S S S S

Acido Acrílico S S L S

Acido Metacrílico S S L L

Metil metacrilato L L L L

Dioxano S S S S

Tetracloruro de carbono I I I I

Heptano I I I I

Ciclohexano I I I I

60 _____________________________________________________________________________________

Con el fin de tener un sistema homogéneo y similar para todas las reacciones posibles, los solventes con los cuales se puede realizar reacción son tetrahidrofurano, diclorometano y dioxano. El tetrahidrofurano no es apto para los propósitos de polimerización puesto que su temperatura de ebullición está alrededor de 66 °C a presión atmosférica estándar. Asimismo, el diclorometano tiene inconvenientes debido a que su temperatura de ebullición es muy baja (40 °C) respeto a la temperatura de trabajo (70-90 °C) por lo que fueron descartados y el dioxano fue tomando como solvente para polimerización. En este trabajo se obtuvieron polímeros a partir de oligómeros funcionalizados con ácido itacónico (PLIA) y una serie de monómeros acrílicos (MMA, AA, AM) (Figura 3-5) al igual que polímeros a partir de oligómeros funcionalizados con ácido maléico (PLMA) y la misma serie de monómeros acrílicos fue sintetizada mediante polimerización por radicales libres (Figura 3-6).

Figura 3-6: Generalidades de la polimerización por radicales libres de PLIA y monómeros acrílicos. AA: ácido acrílico. AM: ácido metacrílico; MMA: metacrilato de metilo.

+H2C C

C

O

O

C

CH

O

O

O

H3C

C

CH2

C

C O

HO

O

nC

C

O

O

x y

C

CH

O

O

H3C

C

CH2

CH2C

C O

HO

O

n

O

H2C H2C

CH3

CH3

MMA R:CH3MA R:H

RR

BPO

Dioxano

T

PLIA

Monómeroacrílico

Copolímero

AA: R1: H; R2: OH AM: R1: H; R2: CH3 MMA: R1: CH3; R2: CH3

R1

R2

R1

R2

61 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-7: Generalidades de la polimerización por radicales libres de PLMA y monómeros acrílicos

De acuerdo con lo observado durante la reacción y sus productos se puede decir que los polímeros obtenidos con MMA fueron solubles en el solvente, mientras que aquellos derivados de MA precipitaron a medida que aparecían cadenas de polímero quedando como un sólido poroso con la forma del tubo de ensayo y fácilmente pulverizable (Figura 3-8) por lo que la técnica de polimerización con MA se le puede llamar solución-precipitación. Para el polímero obtenido con AA la precipitación no es tan brusca como para el polímero de MA, pues la turbiedad del sistema reaccionante a lo largo de la polimerización es evidente y al final se puede describir físicamente como un gel elástico (Figura 3-9); la elasticidad es atribuida a que fracciones de solvente quedaron atrapadas dentro de estos polímeros.

Figura 3-8: Izquierda: copolímero PLIA-co-MA pulverizado. Derecha: Fotografía óptica

superficie sólida

62 _____________________________________________________________________________________

Figura 3.9: Fotografía óptica superficie viscosa de PLIA-AA

Los polímeros sintetizados a partir de metacrilato de metilo y oligómeros funcionalizados con ácido itacónico son polímeros rígidos y transparentes, los polímeros obtenidos con ácido acrílico son transparentes con cierta coloración amarilla, elásticos y los polímeros con ácido metacrílico son sólidos blancos, rígidos y porosos (Figura 3-10).

Figura 3-10: Polimeros obtenidos por la reacción de oligomeros fucionalziados con ácido itacónico (PLIA) y: A. metil metacrialto. B. ácido metacrílico. C. Ácido acrílico.

Los polímeros obtenidos a partir de oligomeros PLMA y metacrilato de metilo son blancos con algo de elasticidad, en cambio los derivados de ácido acrílico y metacrílico son de coloración blanca con matices amarillos y elásticos.

63 _____________________________________________________________________________________

3.2 Caracterización de oligómeros de ácido láctico funcionalizados

Estudio estructural por resonancia magnética nuclear 3.2.1

Para la determinación de la estructura de los oligómeros se empleó la resonancia magnética nuclear analizando los núcleos protónicos (1HRMN) y de carbono 13 (13CRMN). En el siguiente análisis hay que tener en cuenta que el solvente empleado (CDCl3) en la técnica aparece en todos los espectros mostrando una señal a 7,28 ppm para resonancia magnética protónica y una señal a 77,06 ppm en carbono 13.

• Polímero de ácido láctico (dl-PLA)

Como se indicó se prepararon polímeros de dl-PLA bajo dos temperaturas de reacción (150 °C y 120 °C). Estas especies fueron analizadas por RMN dando como resultado espectros similares para las dos muestras tanto en protónica como en carbono. Revisando la estructura del poli (ácido láctico) se identifican tres carbonos y tres protones diferentes (Figura 3-11) los cuales se estudian en los espectros de resonancia magnética nuclear.

Figura 3-11: a. Identificación de protones de la estructura de dl-PLA para 1HRMN. b. Identificación de carbonos de la estructura de dl-PLA para 13CRMN

En los espectros protónicos de PLA a 150 °C y PLA a 120 °C de reacción (Figura 3-12) se puede observar la presencia de tres señales de distinta intensidad. La señal más intensa está a 1,584 ppm y corresponde a los tres protones del metilo (-CH3). La señal a 5,176 ppm es un quintuplete asignada al metino (-CH) del polímero. Además en los dos espectros aparecen unas señales débiles a 4,378 ppm las cuales representan el protón metino (-CH) de las unidades monoméricas que no reaccionaron. Por otra parte en el espectro del dl-PLA obtenido a 120 °C (Figura 3-12a) se aprecia claramente un doblete a 1,473 ppm el cual es asignado a los protones del metil (-CH3) del monómero libre; este

64 _____________________________________________________________________________________

mismo doblete es visible en el espectro del dl-PLA sintetizado a 150 °C (Figura 3-12b) pero a un desplazamiento de 1,699 ppm. Los espectros de carbono (Figura 3-13) muestran las señales propias de los tres carbonos diferentes que presentan el polímero y su monómero. Una señal localizada a 16,63 ppm indica la presencia del metilo (-CH3) en el polímero. El carbono del metino (-CH) del dl-PLA está ubicado en 69,09 ppm, además el carbono del carbonilo (-COO) está especificado en 169,62 ppm; también en los espectros aparecen las señales de los tres carbonos diferentes del monómero (ácido láctico) y están definidas así: 20,36 ppm para el metilo (-CH3), 66,78 ppm para el metino (-CH) y 174,77 ppm para el carboxilo (-COO). Las señales tanto de los espectros de 1HRMN y los de 13CRMN para los homopolímeros de PLA sintetizados en el laboratorio son muy cercanos a los reportados por Esparteto et. al (1996) y Hiltunen et. al (1996), por lo que se puede afirmar que con la metodología planteada en el capítulo 2 se obtuvo dl-PLA de bajo peso molecular.

65 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-12: a. Espectro 1HRMN para el polímero PLA obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción. b. Espectro 1HRMN para el polímero PLA obtenido a 150 °C y10 horas de reacción.

66 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-13: a. Espectro 13CRMN para el polímero PLA obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción. b. Espectro 13CRMN para el polímero PLA obtenido a 150 °C y10 horas de reacción.

67 _____________________________________________________________________________________

• Oligómeros de Poli (dl- ácido láctico- ácido itacónico) (PLIA)

Para el oligómero PLIA derivado del dl-ácido láctico y el ácido itacónico, el análisis por RMN parte de una estructura molecular propuesta (Figura 3-14).

Figura 3-14: Oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA) para análisis por 1HRMN

El espectro obtenido (Figura 3-15) de la muestra de PLIA disuelta en CDCl3 presenta para el oligomero las señales más intensas a 1,60 ppm fijada al metilo (-CH3) y la señal a 5,19 ppm que se asignó al protón terciario (-CH). Los protones del metileno (-CH2) del doble enlace del ácido itacónico fueron señalados entre 5,90- 6,48 ppm por ser protones desprotegido, esto indica además que los protones no son simétricos y se ven fuertemente afectados por sus grupos vecinos. Finalmente a 3,43 ppm aparece el protón secundario (-CH2) del ácido itacónico. Este análisis permite ver la incorporación del grupo vinílico a la estructura del ácido láctico con el cual se promoverá la polimerización por radicales libres con monómeros acrílicos.

Figura 3-15: Espectro 1HRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA10h)

68 _____________________________________________________________________________________

En cuanto al espectro 13CRMN del oligómero funcionalizado, las especies identificadas fueron seis (Figura 3-16). El espectro obtenido (figura 3-176) muestra las señales características, de tal manera que se tienen absorciones intensas en 16,64 ppm correspondiente a carbono del metilo (CH3) y en 169,64 ppm dado al carbono del carbonilo de la unidad repetitiva del polímero. Señales a 69,4 ppm fueron asignadas al metino de la unidad repetitiva. Los desplazamientos característicos del enlace vinílico están para el metileno (-CH2) en 131,27 ppm y para el carbono en 130,61 ppm. En cuanto a los carbonos de los carboxílicos del itacónico, las señales se asignaron entre 174,90 y 175,00 ppm. Por último, el metileno (-CH2) tiene un desplazamiento a campo bajo en 36,68 ppm. Este análisis permite ratificar la funcionalización del ácido láctico con enlaces vinílicos provenientes del ácido itacónico.

Figura 3-16: Oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido itacónico (PLIA) para análisis por 13CNMR.

Figura 3-17: Espectro 13CRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con

ácido itacónico (PLIA10h)

69 _____________________________________________________________________________________

• Oligómero de poli (dl-ácido láctico-ácido maléico) (PLMA)

La estructura propuesta para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA) (Figura 3-18) destaca la presencia de tres protones diferentes (CH3, CH, =CH).

Figura 3-18: Oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA) para análisis por a. 1HRMN y b. 13CRMN.

a.

b.

La resonancia magnética nuclear protónica (Figura 3-19) de las muestras de oligómero evaluadas presentan las señales particulares del PLA, en este caso el metilo (-CH3) que se encuentra en 1,60 ppm y metino (-CH) en 5,23 ppm. Entre 5,90 y 6,43 ppm los protones vinílicos (=CH) del oligómero aparecen mostrando varias señales que indican que los protones no son simétricos y se ven afectado por sus vecinos . Esta no simetría de los protones vinílicos en el PLMA permiten concluir que la estructura molecular planteada en la figura 3-18 es acertada. El espectro también presenta señales intensas a 1,48 ppm (-CH3) y a 4,40 ppm (-CH) que son asignadas al ácido láctico (monómero) y son representativas porque en el oligómero existe una gran cantidad de monómero que no reaccionó producto de las condiciones de reacción a diferencia del espectro obtenido para el oligómero de PLIA. En cuanto al análisis por carbono trece (Figura 3-20) se encuentra que para el oligomero funcionalizado la señal de metilo (-CH3) está a 16,63 ppm, la del metino (-CH) aparece en 69,09 ppm y el desplazamiento asignado para el carbonilo es 169,62 ppm. Aparecen señales para los carbonos del enlace vinílico entre 129,01 y 131,43 ppm.

70 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-19: Espectro 1HRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA10h)

Figura 3-20: Espectro 13CRMN para el oligómero de ácido láctico funcionalizado con ácido maléico (PLMA10h)

71 _____________________________________________________________________________________

Temperatura de transición vítrea de oligómeros 3.2.2

La temperatura de transición vítrea del dl-PLA sintetizado a 150 °C y 10 horas de reacción fue de 10,32 °C (Figura 3-21a) y la Tg del homopolímero de dl-PLA obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción fue de 0,91 °C (Figura 3-21b). Estos valores indican la fuerte influencia de la temperatura de reacción en la Tg. De acuerdo con los termogramas (Figura 3-21) no se presentan picos endotérmicos de fusión por lo que se puede afirmar que el polímero es amorfo y este fenómeno es debido la isomería D, L del monómero de ácido láctico.

Figura 3-21: Termogramas para PLA. a. Polímero obtenido a 150 °C y 10 horas de reacción. b. Polímero obtenido a 120 °C y 10 horas de reacción.

72 _____________________________________________________________________________________

Los termogramas obtenidos del ensayo de calorimetría diferencial de barrido muestran el estado amorfo de los oligomeros funcionalizados con ácido itacónico (PLIA) (anexo C) debido a que se usó en la síntesis una molécula de ácido láctico con dos isómeros (D,L). Los oligomeros obtenidos a un mayor tiempo de reacción generan una temperatura de transición vítrea más alta (Figura 3-22) de tal manera que se puede decir que las mayores conversiones de monómeros a copolímeros se obtienen a tiempos de reacción mayores. Ahora bien, si se evalúa el efecto del desequilibrio estequiométrico producido por la adición de un monómero dicarboxílico a la reacción de policondensación, entonces se concluye que la proporción de ácido itacónico como proveedor de grupos funcionales carboxilo disminuye la transición vítrea del oligómero desde 10,3 °C para el homopolímero hasta 4,5 °C para el oligómero con 9 % mol de ácido itacónico (Figura 3-23).

Figura 3-22: Temperatura de transición vítrea para oligomeros de PLIA obtenido bajo las condiciones de reacción T=150 °C, concentración de ácido itacónico de 6 % y tiempo de reacción variable.

Figura 3-23: Temperatura de transición vítrea para oligomeros de PLIA obtenido bajo condiciones de reacción de T=150 °C, t= 10 h, concentración de ácido itacónico variable.

-10

-7

-4

-1

2

5

8

11

14

17

20

23

4 6 8 10 12 14 16 18

Tg

(°C

)

Tiempo de reacción (h)

oligomero funcionalizadoPLIA, variación tiempo dereacción

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

11,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tg

(°C

)

Porcentaje de ácido itacónico

variación %ácidoitacónico

73 _____________________________________________________________________________________

El mismo comportamiento presentado para los oligómeros funcionalizados con ácido itacónico se aprecia en los oligomeros funcionalizados con ácido maléico (PLMA)(anexo C). Entonces estudiando el comportamiento variando el tiempo total de reacción, las temperaturas de transición vítrea incrementan desde -15,08 °C para el PLMA obtenido a 10 horas hasta -0,83 °C para el polímero obtenido a 16 horas de reacción (Figura 3-24). Aunque se obtuvieron polímeros a menor tiempo de reacción, sus características físicas (alta viscosidad, adherencia) hicieron difícil la encapsulación para los ensayos de calorimetría diferencial de barrido, por tanto no se reportan en este estudio.

Figura 3-24: Temperatura de transición vítrea para oligómeros de PLMA obtenido bajo las condiciones de reacción T=120 °C, concentración de ácido maléico de 6 % y tiempo de reacción variable.

El desequilibrio estequiométrico afecta las propiedades no sólo físicas sino térmicas del polímero y es así como se puede apreciar en los termogramas (anexo C) que la Tg varía desde 1,96 °C para el PLA obtenido a 120 °C hasta -17 °C para el PLMA con 9 % mol de ácido maléico (Figura 3-25). Esto quiere decir que a mayor presencia de grupos carboxilos en la reacción menor será la Tg.

-20

-17

-14

-11

-8

-5

-2

1

6 8 10 12 14 16 18

Tg

(°C

)


oligomero funcionalizado PLMAvariación tiempo de reacción

74 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-25: Temperatura de transición vítrea para oligómeros de PLMA obtenido bajo condiciones de reacción de T=120°C, t= 10h, concentración de ácido maléico variable.

Peso molecular de los oligómeros 3.2.3

El peso molecular de los oligomeros fue evaluado por cromatografía de permeación en gel (GPC), donde inicialmente se disolvieron los oligómeros en tetrahidrofurano y fueron valoradas respecto a estándares de poliestireno. Los pesos moleculares promedio en peso y en número fueron determinados mediante las siguientes ecuaciones:

Donde: Ai: área de la subdivisión i de la curva tri: tiempo de retención en el intervalo i Mpi:Peso molecular para el intervalo i

-18

-15

-12

-9

-6

-3

0

3

- 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tg

(°C

)

Porcentaje de ácido maléico

OligomerofuncionalizadoPLMA,variación %ácido maléico

75 _____________________________________________________________________________________

El peso molecular promedio en peso (Mw) de los oligomeros nombrados como PLIA (anexo D) se incrementa proporcionalmente como se incrementó la temperatura de reacción (Figura 3-26). Además es apropiado denominarlos oligomeros puesto que sus pesos moleculares están entre 3200 y 3800 g/mol.

Figura 3-26: Peso molecular promedio en peso (Mw) y en número (Mn) para oligomeros de PLIA obtenido bajo las condiciones de reacción T=150 °C, concentración de ácido itacónico de 6 % y tiempo de reacción variable.

Ahora bien, analizando desde el punto de vista de la desproporción estequiométrica (Figura 3-27), los resultados muestran que la adición de monómero dicarboxílico afecta el peso molecular del oligómero, de tal manera que un aumento de la cantidad de ácido itacónico se refleja en una disminución proporcional de su peso molecular. Por ejemplo, el peso molecular promedio en número del oligómero PLIA varía desde el homopolímero PLA de 3534 g/mol hasta el oligómero con 9 % de ácido itacónico de 3420 g/mol.

3200

3300

3400

3500

3600

3700

3800

4 7 10 13 16

M (

g/m

ol)


Peso molecular promedio enpeso (Mw) de PLIA. variacióntiempo de reacción

Peso molecular promedio ennúmero (Mn) para PLIA.Variación tiempo de reacción

76 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-27: Superior: Peso molecular promedio en peso (Mw) para oligomeros de PLIA. Inferior Peso molecular promedio en número (Mn) para oligomeros de PLIA. Oligomeros obtenidos a 10 horas de reacción y T=150 °C.

3450

3480

3510

3540

3570

3600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mw

(g/

mol

)


Peso molecular dePLIA. Variación %ácido itacónico

3390

3410

3430

3450

3470

3490

3510

3530

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mn

(g/m

ol)


Peso molecular promedioen número de PLIA.Variación % ácido itacónico

77 _____________________________________________________________________________________

Es importante resaltar que esta disminución del peso molecular no afecta la polidispersidad por lo que todos los oligomeros de PLIA obtenidos en este estudio tienen un índice de polidispersidad cercano a uno, por tanto la curva de distribución de pesos moleculares es estrecha y permite mostrar que estos oligomeros tienden a ser monodispersos al igual que el homopolímero (PLA) correspondiente. Por otra parte, el análisis por cromatografía de permeación en gel para los oligomeros PLMA (anexo D), es decir aquellos obtenidos por la reacción entre ácido láctico y ácido maléico muestran que los pesos moleculares en peso (Mw) se encuentran entre 1903 g/mol y 2864 g/mol (Figura 3-28) y los pesos moleculares promedio en número (Mn) están en el intervalo de 1507 g/mol y 2252 g/mol dependiendo de la temperatura de reacción a la cual fue obtenido cada uno. Además los pesos moleculares promedio logrados con estos oligomeros son dependientes del desequilibrio estequiométrico provocado por la adición de monómero dicarboxílico (ácido maléico) (Figura 3-29) entonces, a mayor cantidad de ácido maléico menor es el peso molecular promedio de cada oligómero.

Figura 3-28: Peso molecular promedio en peso (Mw) y en número (Mn) para oligomeros de PLIA obtenido bajo las condiciones de reacción T=150 °C, concentración de ácido maléico de 6 % y tiempo de reacción variable.

1450

1950

2450

2950

3450

4 6 8 10 12 14 16 18

M(g

/mol

)


Peso molecular promedio enpeso (Mw) PLMA. Variacióntiempo de reacciónPeso molecular promedio ennúmero (Mn) para PLMA.Variación tiempo de reacción

78 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-29: Peso molecular promedio en peso (Mw) y en número (Mn) para oligomeros de PLMA. Oligomeros obtenidos a 10 horas de reacción y T=120 °C.

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mw

(g/

mol

)

Porcentaje de ácido maleico

Peso molecular promedioen peso (Mw) de PLMA.Variación % ácido maléico

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mn

(g/m

ol)

Porcentaje de ácido maleico

Peso molecular promedioen peso (Mn) de PLMA.Variación % ácidomaléico

79 _____________________________________________________________________________________

Al igual que los oligomeros de PLIA, los oligomeros de PLMA son polímeros monodispersos (I~1,0) es decir tienden a tener un tamaño molecular definido para las cadenas de oligómero y las distribuciones de peso molecular de ellos son más estrechas que aquellas de PLIA probablemente por los pesos moleculares tan bajos. Asimismo el índice de polidispersidad de estos oligómeros no difiere significativamente de su homopolímero (PLA). La dependencia de la temperatura de transición vítrea con el peso molecular de los oligómeros obtenidos se puede determinar mediante la ecuación:

Donde: Tg8: temperatura de transición vítrea del polímero a peso molecular infinito K: constante empírica Tg: temperatura de transición vítrea Mn: peso molecular promedio en número En las figuras 3-30 y 3-31 se puede ver la dependencia de la Tg con el peso molecular para los oligomeros de PLIA y de PLMA. Para ambos casos se ve que al disminuir el peso molecular la Tg también disminuye debido a que son polímeros de bajos pesos moleculares con grandes cantidades de grupos terminales carboxilo y entonces existe en el polímero mayor facilidad para el movimiento de las cadenas.

Figura 3-30: Dependencia de la Tg con el peso molecular para los oligómeros de PLIA

-8,50

-4,50

-0,50

3,50

7,50

11,50

15,50

19,50

2,7E-04 2,8E-04 2,9E-04 3,0E-04 3,1E-04 3,2E-04

Tg

(°C

)

1/Mn

variación de tiempode reacción

variación deporcentaje dereacción

80 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-31: Dependencia de la Tg con el peso molecular para los oligómeros de PLMA

3.3 Caracterización de polímeros derivados de oligómeros de ácido láctico funcionalizados

Las estructuras de los polímeros derivados de oligomeros funcionalizados de ácido láctico (PLIA-AA, PLIA-AM, PLIA-MMA, PLMA-AA, PLMA-AM, PLMA-MMA) se estudiaron mediante resonancia magnética nuclear para los núcleos protónicos (1HRMN). En el siguiente análisis hay que tener en cuenta que el solvente empleado (CDCl3) en la técnica aparece en todos los espectros mostrando una señal a 7,28 ppm para resonancia magnética protónica, además de la señal emitida por el solvente de polimerización (dioxano) establecida en 3,70 ppm.

Polímero derivado de oligómeros de ácido láctico 3.3.1funcionalizado con ácido itacónico y monómeros acrílicos

La estructura molecular del polímero poli(ácido láctico –co- ácido itacónico-co- ácido ácrilico) denominado PLIA-AA permite elucidar las señales para la resonancia protónica (1HRMN) (Figura 3-32). Las señales que se identifican en el espectro 1HRMN (Figura 3-

-20

-17

-14

-11

-8

-5

-2

1

2,90E-04 3,10E-04 3,30E-04 3,50E-04 3,70E-04 3,90E-04 4,10E-04 4,30E-04

Tg

(°C

)

1/Mn

variación de tiempode reacción

variación deporcentaje dereacción

81 _____________________________________________________________________________________

33) son: 1,65ppm los tres protones del metilo (-CH3), entre 3,69 y 4,35 ppm los metilenos (-CH2) y en 5,16 ppm los metinos (-CH). Es importante resaltar que en el espectro no aparecen protones de enlaces vinílicos evidenciándose la reacción de polimerización por radicales libres entre los oligomeros de ácido láctico funcionalizados con ácido itacónico y el ácido acrílico.

Figura 3-32: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLIA-AA para 1HRMN

Figura 3-33: Espectro 1HRMN para el polímero PLIA-AA

82 _____________________________________________________________________________________

La estructura molecular del polímero poli(ácido láctico-ácido itacónico-co-ácido metacríllico) denominado PLIA-AM permite especificar las señales para la resonancia protónica (1HRMN) (Figura 3-34). En el espectro 1HRMN (Figura 3-35) se detallan las señales para: el metilo (-CH3) del metacrilato en 1,29 ppm, el metilo del láctico en 1,55 ppm; para los metilenos (CH2) la señal se encuentra entre 2,11 y 3,70 ppm y para los metinos (CH) en 5,16 ppm. La señal del metileno está ensanchada debido a la vibración de los campos magnéticos de los hidroxilos cercanos. Al igual que para el polímero estudiado anteriormente en este espectro no aparecen señales protónicas entre 5 y 6 ppm debidas a enlaces vinílicos probándosela reacción de polimerización por radicales libres y la copolimerización con oligomeros funcionalizados.

Figura 3-34: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLIA-AM para 1HRMN.

Figura 3-35: Espectro 1HRMN para el polímero PLIA-AM

83 _____________________________________________________________________________________

Finalmente, la estructura del polímero poli(ácido láctico-ácido itacónico-co-ácido metacrílico) denominado PLIA-MMA, determina las señales de estudio en la resonancia magnética (Figura 3-36).

Figura 3-36: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLIA-MMA para 1HRMN.

El espectro de resonancia magnética protónica para el PLIA-MMA (Figura 3-37) exhibe señales entre 0,80 y 1,02 ppm que corresponden a los tres protones del metilo del metil metacrilato y entre 1,54 y 1,61 ppm asignados a los metilos del lado del oligómero funcional del polímero. Alrededor de 1,81 ppm se encuentran los metilenos involucrados en la reacción de polimerización por radicales libres. La señal con mayor intensidad (3,60 ppm) indica los protones metilos del enlace O-CH3. También se verifican las señales para el metino (5,17 ppm) y el metileno (4,38 ppm) de las unidades lácticas. Asimismo como para los espectros de esta misma serie de polímeros, no se encuentran señales de enlaces vinílicos, por lo que se puede asegurar que tanto el monómero como el macromonómero reaccionaron.

84 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-37: Espectro 1HRMN para el polímero PLIA-MMA

Polímero derivado de oligómeros de ácido láctico 3.3.2funcionalizado con ácido maléico y monómeros acrílicos

El resultado de la reacción entre oligomeros funcionalizados con ácido maléico (PLMA) y los tres monómeros acrílicos elegidos (AA, AM, MMA) se estudiaron por resonancia magnética nuclear protónica. La estructura molecular del polímero poli(ácido láctico- ácido maléico-co- ácido ácrilico) denominado PLMA-AA permite deducir las señales para la resonancia protónica (1HRMN) (Figura 3-38) En el espectro (Figura 3-39) los protones característicos del oligómero láctico están presentes a 1,57 ppm para los tres protones del metilo (-CH3) y 5,23 ppm para el protón terciario (-CH) del lado del oligomero; los metinos (-CH) del maléico a 3,69 ppm. Además, el metino del acrílico está ubicado a 2,66 ppm y el metileno (-CH2) en 1,81 ppm. En este caso han desaparecido los enlaces vinílicos del oligómero y del polímero por tanto el polímero propuesto se ha formado.

85 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-38: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLMA-AA para 1HRMN.

Figura 3-39: Espectro 1HRMN para el polímero PLMA-AA

La estructura molecular del polímero poli(ácido láctico- ácido maléico-co- ácido metacrílico) denominado PLMA-AM (Figura 3-40) muestra los protones diferentes que son absorbidos y representados en el espectro.

86 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-40: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLMA-AM para 1HRMN.

Las señales más intensas en el espectro del polímero PLMA-AM (Figura 3-41) son asignadas al metilo (1,64 ppm) de las unidades lácticas del oligómero. En cuanto a la señal del protón terciario de la unidad láctica está en 5,19 ppm mientras que el metino para la unidad del maléico se ubica en 4,23 ppm. Para el metilo de la unidad metacrílica la señal está en 1,26 ppm y el metileno de esta misma unidad se predice en 2,64 ppm. Las señales identificadas evidencia la formación del copolímero PLMA-AM

Figura 3-41: Espectro 1HRMN para el polímero PLMA-AM

En último lugar, el polímero poli(ácido láctico- ácido maléico-co- ácido metacrílico) denominado PLMA-MMA (Figura 3-42). El espectro del polímero (Figura 3-43) detalla las señales para cada protón diferente de la estructura, es así como en la unidad láctica la señal para el protón metilo está en 1,62 ppm y el protón metino en 5,15 ppm, además los

87 _____________________________________________________________________________________

protones metinos (-CH) del ácido maléico se ubica en 4,33 ppm. Señales de metileno (-CH2) del metacrilato de metilo en el polímero están presentes en el espectro a un desplazamiento de 1,89 ppm, para los tres protones del metilo (-CH3) del enlace O-CH3 quedan en 3,56ppm y finalmente alrededor de 0,80 ppm la absorción del metilo (-CH3) de la unidad de metacrilato de metilo. De esta manera queda especificada la estructura molecular del polímero PLMA-MMA sintetizado en este trabajo de investigación.

Figura 3-42: Identificación de protones de la estructura molecular del polímero PLMA-MMA para 1HRMN.

Figura 3-43: Espectro 1HRMN para el polímero PLMA-MMA

88 _____________________________________________________________________________________

3.4 Degradación de oligómeros y polímeros derivados de ácido láctico

Los estudios de degradación tanto de los oligómeros como de los polímeros se estudiaron por tres vías, la primera una degradación hidrolítica, la segunda una degradación enzimática y la tercera la exposición al hongo Aspergillius Niger.

Degradación hidrolítica 3.4.1

Los oligómeros y los polímeros fueron expuestos a un ambiente tanto ácido (pH=4,5) como neutro (pH=7.0) de acuerdo con trabajos previos realizados al interior del grupo de investigación por Sierra (2006). En este caso se compararon las soluciones tampón antes y después de la degradación encontrándose que para el oligómero PLIA-10h el pH de la solución varió de 7 a 2,87 y de 4,5 a 2,63, esto quiere decir que se liberaron grupos carboxilo que modifican el pH evidenciada con una disminución potenciométrica. Para el oligómero PLMA-10h también hubo un descenso del pH de la solución reguladora desde 7 hasta 2,19 para la hidrólisis neutra y de 4,5 a 2,04 para la hidrólisis ácida (anexo E). Desde el aspecto visual tanto el homopolímero (PLA) como los oligomeros funcionalizados (PLIA, PLMA) ganan opacidad, es decir pasan de ser transparentes a tomar un color blancuzco y pierden la forma original dada. (Figura 3-44) debido al contacto y la penetración de las soluciones de trabajo y los procesos degradativos que allí ocurren. El análisis por microscopía electrónica de barrido muestra las variaciones físicas del oligómero PLIA antes y después de ser expuesta a un ambiente neutro de degradación (Figura 3-45). Las fotografías evidencian la perdida de una textura lisa en la superficie del oligomero, la aparición de degastes en la superficie, así como espacios o poros. Estos cambios se pueden atribuir a la degradación del polímero por hidrólisis que conlleva a una erosión de toda la superficie de cada una de las muestras.

89 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-44: Aspecto visual de la degradación hidrolítica de los oligomeros funcionalizados con ácido láctico PLIA PLMA

A los polímeros sintetizados con ácido acrílico y los oligomeros modificados con ácido itacónico y maléico también se les realizó degradación hidrolítica. Al final de la degradación las soluciones que contenían los polímeros experimentaron variación en el pH (anexo E). Por ejemplo, para la degradación neutra de PLIA-MMA el pH pasó de 7 a 7,56 y para degradación ácida de 4,5 a 5,12 y para el PLIA-MMA el pH varió de 7 a 7,39 y de 4,5 a 4,77 siendo prácticamente invariables en el tiempo, lo que indica que el proceso degradativo puede ser debido a una baja cantidad de grupos hidrolizables en la cadena. En otros casos, como el del polímero PLIA-AA el pH de la solución disminuyó de 4,5 a 3,06 para la degradación ácida y de 7 a 6,54 para degradación neutra de la misma manera ocurrió para el polímero PLMA-AA, las soluciones tampón modificaron su pH de 4,5 a 3,72 y de 7 a 6,68.

OLIGÓMERO Aspecto inicial Aspecto a 72h de degradación

pH=4,5 pH=7

PLA-10h

PLIA-10h

90 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-45: Microscopía electrónica de barrido para el oligómero PLIA antes y después de degradación hidrolítica a pH 7.

OL

IGÓ

ME

RO

Microscopía electrónica de barrido

Superficie Fractura

PLIA

-10h

(de

spué

s de

deg

rada

ción

)

PLIA

-10h

(an

tes

de d

egra

daci

ón)

91 _____________________________________________________________________________________

En cuanto al aspecto físico, los polímeros derivados de metacrilato de metilo (PLIA-MMA y PLMA-MMA) durante la degradación hidrolítica fueron dimensionalmente estables, disminuyendo su transparencia y traslucidez (Figura 3-46). La alta solubilidad de un poliácido acrílico en agua favorece la disolución del mismo, esta situación fue observada en la experimentación ya que los polímeros PLIA-AA y PLMA-AA perdieron completamente la forma y tendieron a disolverse en las solucione tampón. Finalmente los polímeros provenientes del ácido metacrílico se caracterizaron por perder la estabilidad dimensional e hincharse en los medios de degradación. Una evidencia de pérdida de las características físicas de los polímeros es mostrado para el PLIA-MMA por medio de microscopía electrónica de barrio (Figura 3-47). Estas fotografías muestran la formación de zonas huecas o poros a lo largo del material que no se ven en el polímero antes de la degradación. Por tanto el mecanismo de degradación se puede describir como un primer hinchamiento de la matriz polimérica para una posterior erosión homogénea.

Figura 3-46: Aspecto visual de la degradación hidrolítica de polímeros derivados de monómeros acrílica (PLIA-MMA, PLIA-AA, PLIA-AM)

POLÍMERO Aspecto inicial Aspecto a 72h de degradación

pH=4,5 pH=7

PLIA-MMA

PLIA-AA

PLIA-AM

92 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-47: Microscopía electrónica de barrido para polímero PLIA-MMA antes y después de degradación hidrolítica a pH 7.

PO

LÍM

ER

O Microscopía electrónica de barrido

Superficie Fractura

PLIA

-MM

A (

desp

ués

de d

egra

daci

ón)

PLIA

-MM

A (

ante

s de

deg

rada

ción

)

93 _____________________________________________________________________________________

Degradación enzimática 3.4.2

La degradación enzimática se realizó para 64 horas de exposición de los oligómeros y polímeros, debido a que la enzima se desactiva en periodos de tiempo más largos. En general las soluciones en las cuales permanecieron los oligomeros sumergidos para degradación enzimática presentan disminución del pH (anexo E), es decir el mismo comportamiento que para la degradación hidrolítica a pH 7; lo cual es un indicativo que el mecanismo de degradación no cambia por presencia de la enzima. Las microscopías electrónicas revelan la no uniformidad de los polímeros cuando son expuestos a medios de degradación (Figura 3-48, 3-49). Por ejemplo los polímeros PLIA-MMA y PLMA-MMA muestran la formación de huecos en toda la estructura tanto en la superficie como en el interior similares a las ya vistas para los oligomeros. Este cambio drástico en la apariencia de los polímeros es el que se le atribuye a la degradación por erosión de las superficies expuestas a la enzima y el medio de degradación.

94 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-48: Microscopía electrónica de barrido para el polímero PLIA-MMA antes y después de degradación enzimática.

PO

LÍM

ER

O Microscopía electrónica de barrido

Superficie Fractura

PLIA

-MM

A (d

espu

és d

e de

grad

ació

n)

PLIA

-MM

A (a

ntes

de

degr

adac

ión)

95 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-49: Microscopía electrónica de barrido para el polímero PLMA-MMA antes y después de degradación enzimática.

PO

LÍM

E-

RO

Microscopía electrónica de barrido

Superficie Fractura

PLM

A-M

MA

(de

spué

s de

deg

rada

ción

)

PLM

A-M

MA

(an

tes

de d

egra

daci

ón)

96 _____________________________________________________________________________________

Exposición al hongo Aspergillus Niger 3.4.3

Los oligómeros y los polímeros fueron expuestos a 500µl de solución del hongo Aspergillus Niger a una concentración de esporas de 1.35*106 esporas/ml en un medio de cultivo de agar. Además como patrones de referencia se emplearon láminas de polímero sintético y láminas de yodopovidona, con el fin de determinar el grado de inhibición del crecimiento de las esporas. Al cabo de nueve días de incubación en una autoclave cada uno de los modelos fueron retirados y examinados observándose que las lámina de poliácido acrílico presenta la mayor inhibición a formación de esporas aunque perdieron su estabilidad dimensional dispersándose alrededor de su posición inicial (Figura 3-50); entonces, estos polímeros ejercen una acción bactericida mayor que la que se podría lograr con la yodopovidona que en este caso fue invadida por el hongo. Para el caso del polímero derivado de ácido láctico y ácido acrílico su poder inhibitorio se asemeja al del polímero sintético pero sin lograr disolución en el medio de cultivo.

Figura 3-50: Placas de agar con muestras de referencia y polímero PLIA-AA. Izquierda. Antes de incubación. Derecha.: después de 9 días de incubación.

En orden de inhibición siguen los polímeros de metacrilato de metilo y su correspondiente polímero con ácido láctico, estas láminas al igual que las de ácido acrílico no fueron invadidas por el hongo (Figura 3-51) y mantuvieron la estabilidad dimensional. Al igual que en el ensayo con ácido acrílico la yodopovidona fue invadida por el hongo. Por tanto no existe diferencia en el comportamiento de los polímeros derivados de ácidos acrílicos con moléculas de ácido láctico y sin moléculas de ácido láctico.

PLIA-AA PAA PLIA-AA

PAA

YODOPOVIDONA

97 _____________________________________________________________________________________

Figura 3-51: Placas de agar con muestras de referencia y polímero PLIA-MMA. Izquierda. Antes de incubación. Derecha. Después de 9 días de incubación.

Finalmente los polímeros PMA y su correspondiente derivado de ácido láctico (PLIA-MA, PLMA-MA) también fueron expuestos al hongo (Figura 3-52). Los polímeros no se disolvieron en el medio de incubación pero fueron parcialmente invadidos por el hongo, de tal manera que la efectividad de estos polímeros es la menor de todos aquellos estudiados.

Figura 3-52: Placas de agar con muestras de referencia y polímero PLIA-MA. Izquierda. Antes de incubación. Derecha. Después de 9 días de incubación.

PLIA-MA PMA

PLIA-MA

PMA

YODOPOVIDONA

PLIA-MMA

PMMA PLIA-MMA

PMMA

YODOPOVIDONA

98 _____________________________________________________________________________________

99 _____________________________________________________________________________________

4. Conclusiones y Recomendaciones

4.1 Conclusiones

• Se obtuvieron oligomeros de dl-ácido láctico con ácido itacónico en el laboratorio mediante la reacción de poliesterificación a 150 °C y 23,7 KPa previa deshidratación de los monómeros. Asimismo se produjeron oligómeros de dl- ácido láctico con ácido maléico ajustando las condiciones de reacción a 120 °C y 23,7 KPa La finalización de todas las reacciones de policondensación se realizó por descenso de temperatura.

• Polímeros derivados de oligomeros funcionalizados de ácido láctico fueron obtenidos en el laboratorio por reacción por radicales libres con los monómeros ácido acrílico y metil metacrilato empleando la técnica de solución. La técnica para oligomeros funcionalizados de ácido láctico y ácido metacrílico se considera como una reacción solución-precipitación.

• Los resultados de calorimetría diferencial de barrido para los oligomeros muestran

que todos los oligomeros obtenidos son amorfos; esto es debido al uso como materia prima de una mezcla racemica de ácido láctico.

• Existe una gran dependencia entre el tiempo de reacción, el peso molecular y la

temperatura de transición vítrea de los oligomeros. Esto es, que a mayor tiempo de reacción los pesos moleculares son proporcionalmente incrementados, al igual que la temperatura de transición vítrea.

• El efecto del desequilibrio estequiométrico fue estudiado de tal manera que al

aumentar la cantidad de grupos carboxilos provenientes del ácido itacónico y el peso molecular de los oligomeros así como su transición vítrea disminuye. Este efecto es más significativo que el efecto de incluir un monómero más duro.

• Para obtener polímeros de pesos moleculares mayores la reacción de

policondensación entre dl-ácido láctico y ácido itacónico y/o ácido maléico debe realizarse a tiempos mayores a 16 horas teniendo presente que el desequilibrio estequiométrico sería un limitante de la reacción y consecuentemente del crecimiento de las cadenas de oligómero.

100 _____________________________________________________________________________________

• Las estructuras moleculares de los oligomeros de estudio fue determinada por resonancia magnética nuclear mostrando el grupo funcional de interés (enlace vinílico) para la generación de los polímeros. Este análisis es de gran utilidad ya que muestra que las estructuras obtenidas fueron identificadas

• La reacción de polimerización por radicales libres fue confirmada por resonancia

magnética nuclear protónica debido a la desaparición de los grupos vinílicos del oligómero y de acuerdo con la estructura química planteada los polímeros son ramificados, cuya ramificación está compuesta por el oligómero de ácido láctico.

• La degradación de los polímeros se evaluó por vía hidrolítica y enzimática, evidenciándose una pérdida de material y formación de huecos por lo que se definió que el mecanismo de degradación es por erosión. Además no se encontró una diferencia significativa en la degradación por la presencia de la enzima.

• Polímeros obtenidos de oligómero funcionalizados de ácido láctico, ácido acrílico y metil metacrilato presentan la mayor repulsión a las esporas del hongo Aspergillus Niger por lo que no son fuente para la proliferación de estas esporas.

4.2 Recomendaciones

• Determinar las propiedades mecánicas de los polímeros con el fin de definir las

posibles aplicaciones industriales.

• Realizar el escalado del proceso de síntesis tanto de los oligomeros como de los polímeros.

• Evaluar la biodegradabilidad de los polímeros en condiciones aerobias (producción de CO2) y biomasa.

• Realizar ensayos bajo condiciones similares a las fisiológicas que permitan evaluar la capacidad bioadhesiva de los polímeros y determinar la aplicación como película en la industria farmacéutica.

101 _____________________________________________________________________________________

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106 _______________________________________________________________________________

A.Anexo: Composición de las soluciones tampón

SOLUCIONES BÚFFER

pH Fuerza Iónica Conductividad

Eléctrica K2HPO4 KH2PO4 KCl Solución 0,12N

teórico. Real Ajust. µ HCl KOH

µS G mL

7,68 7,09 7,02 0,15 10,83 9,2781 0,9120 1,4771 5,8 0

4,65 3,64 4,52 0,15 10,53 0 18,3200 1,6834 0 15,2

107 _______________________________________________________________________________

B.Anexo. Preparación de solución de Aspergillus Niger

El conteo de esporas se realizó en la cámara de Neubauer que es una cámara de conteo adaptada al microscopio de campo claro o al de contraste de fases. Se trata de un portaobjetos con una depresión en el centro, en el fondo de la cual se ha marcado con la ayuda de un diamante una cuadrícula como la que se ve en la imagen. Es un cuadrado de 3 x 3 mm, con una separación entre dos líneas consecutivas de 0.25 mm. Así pues el área sombreada y marcada L corresponde a 1 milímetro cuadrado. La depresión central del cubreobjetos está hundida 0.1 mm respecto a la superficie, de forma que cuando se cubre con un cubreobjetos éste dista de la superficie marcada 0.1 milímetro, y el volumen comprendido entre la superficie L y el cubreobjetos es de 0.1 milímetro cúbico, es decir 0.1 microlitro. Cabe resaltar que la cámara presenta dos secciones idénticas, con el objetivo que se realice el conteo en ambas y se tome como dato real el promedio de los números encontrados en éstas.

A continuación se describe la metodología seguida en la preparación y estandarización de 200mL de solución salina estéril con esporas de Aspergillius níger:

• Pesar 1.8 g de NaCl, reactivo analítico. • Disolverlos en 200 mL de agua destilada. • Disponer la solución en un frasco ámbar. • Llevar el frasco con la solución a esterilizar en una autoclave, durante 20 minutos

a 15 psi. • Dejar reposar la solución estéril, enfriándola en un baño de agua a temperatura

ambiente. • Llevar la solución estéril y la caja de petri con el hongo, a una cámara de flujo

laminar. • Limpiar la zona de trabajo y encender un mechero para mantener las condiciones

de asepsia. • Raspar el hongo del agar con ayuda de una espátula y depositarlo en la solución

salina estéril. • Agitar el recipiente para homogenizar la mezcla. • Adicionar 1 mL sobre la cámara de Neubauer. • Efectuar el conteo en el microscopio empleando la cámara de Neubauer. • Determinar la concentración de esporas por mililitro, considerando el cálculo

correspondiente a la secuencia de conteo. • Rotular el recipiente con la concentración de esporas por mililitro encontrada. • Llevar a refrigeración a 4 °C.

108 _______________________________________________________________________________

C. Anexo. Temperatura de transición vítrea de oligomeros

a. Oligomeros de PLIA i) Termogramas para PLIA5h

ii) Termogramas para PLIA8h

iii) Termogramas para PLIA10h

iv) Termogramas para PLIA12h

v) Termograma para PLIA 16h

vi) Termograma para PLIA 1%

vii) Termograma para PLIA 4%

viii) Termograma para PLIA 9%

ix) Termograma para PLMA 10h (PLMA-6%)

x) Termograma para PLMA 12h

xi) Termograma para PLMA 16h

xii) Termograma para PLMA 4%

D. Anexo. Distribución de peso molecular por cromatografía de permeación en gel (GPC)

PATRONES MONODISPERSOS DE PS

tr M (g/mol) LogM

15,2 10850 4,035 15,6 7000 3,845 16,0 4950 3,695 16,5 2850 3,455

LogMi=A+B*tr

A = 4,2306 B = -0,1892

4,035429738

3,84509804

3,694605199

3,45484486

y = -0,1892x + 4,2306R² = 0,992

3,1

3,2

3,3

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4

4,1

15,183 15,6 15,983 16,467

Curva de calibración de estándres de PS

Polímero PLIA 5hpunto tri Ai Mst Ai/tri*Mist Ai*tri*Mist Mi hi hi/Mist hi*Mist

1 7,983 647 525 0,154 2.711.982 4.192 142 0,270 74.560 2 8,100 1.468 499 0,363 5.933.229 4.042 258 0,517 128.736 3 8,183 1.833 481 0,465 7.218.574 3.938 420 0,873 202.128 4 8,300 4.575 457 1,205 17.366.376 3.796 804 1,758 367.702 5 8,383 5.306 441 1,435 19.620.186 3.698 1.177 2,668 519.174 6 8,500 10.932 419 3,068 38.950.994 3.563 1.783 4,254 747.397 7 8,583 10.463 404 3,015 36.307.115 3.470 2.224 5,501 899.148 8 8,700 17.922 384 5,362 59.905.366 3.343 2.722 7,085 1.045.799 9 8,783 14.229 371 4,372 46.309.881 3.255 2.881 7,775 1.067.578

10 8,800 19.689 368 6,083 63.730.354 3.237 2.886 7,846 1.061.540 11 8,917 12.536 350 4,022 39.073.413 3.117 2.672 7,644 933.985 12 9,000 14.432 337 4,756 43.789.404 3.034 2.329 6,908 785.180 13 9,117 7.865 320 2,693 22.972.819 2.921 1.788 5,581 572.837 14 9,200 7.326 309 2,577 20.826.426 2.843 1.351 4,372 417.460 15 9,317 3.035 294 1,109 8.303.446 2.736 767 2,612 225.226 16 9,400 2.181 283 0,819 5.806.354 2.662 462 1,631 130.846 17 9,517 649 269 0,253 1.662.373 2.561 189 0,702 50.868 18 9,600 205 260 0,082 510.864 2.492 79 0,304 20.507 Σ 135.293 42 440.999.154 24.934 68 9.250.672

3234 28603234 03260 28603260 0

3234

3260

1,008

79

579

1.079

1.579

2.079

2.579

2.400 2.800 3.200 3.600 4.000

Distribución de pesomolecular PLIA 5hMn

Mw


1 7,700 146 594 0,032 667.734 4.574 26 0,044 15.443 2 7,783 196 573 0,044 873.895 4.459 45 0,079 25.779 3 7,900 530 544 0,123 2.279.413 4.301 96 0,176 52.263 4 7,983 692 525 0,165 2.900.605 4.192 158 0,301 82.961 5 8,100 1.675 499 0,414 6.769.862 4.042 290 0,581 144.703 6 8,183 1.875 481 0,476 7.383.975 3.938 413 0,858 198.759 7 8,300 3.763 457 0,991 14.284.081 3.796 608 1,329 278.063 8 8,383 3.527 441 0,954 13.041.914 3.698 746 1,691 329.060 9 8,500 5.972 419 1,676 21.278.388 3.563 906 2,161 379.777

10 8,583 4.806 404 1,385 16.677.052 3.470 981 2,426 396.612 11 8,683 7.067 387 2,103 23.750.967 3.361 1.016 2,625 393.251 12 8,717 4.966 381 1,494 16.508.871 3.324 1.011 2,651 385.562 13 8,800 6.334 368 1,957 20.502.213 3.237 968 2,632 356.054 14 8,917 3.821 350 1,226 11.909.661 3.117 830 2,375 290.123 15 9,000 4.240 337 1,397 12.864.958 3.034 698 2,070 235.318 16 9,117 2.316 320 0,793 6.764.787 2.921 520 1,623 166.597 17 9,200 2.304 309 0,810 6.549.834 2.843 407 1,317 125.763 18 9,317 1.060 294 0,387 2.900.051 2.736 256 0,872 75.173 19 9,400 864 283 0,325 2.300.179 2.662 171 0,604 48.430 20 9,517 303 269 0,118 776.115 2.561 82 0,305 22.070 21 9,600 143 260 0,057 356.359 2.492 42 0,162 10.903 Σ 56.600 17 191.340.913 10.270 27 4.012.664

3343 10103343 03381 10003381 03381

3343

1,011 26

176

326

476

626

776

926

1.076

2.400 2.800 3.200 3.600 4.000 4.400

Distribución de pesomolecular PLIA 8h

Mn


1 7,530 227 640 0,047 1.093.314 4.816 56 0,088 35.819 2 7,700 761 594 0,166 3.480.450 4.574 146 0,246 86.719 3 7,783 1.139 573 0,255 5.078.403 4.459 267 0,466 152.956 4 7,900 3.034 544 0,705 13.048.562 4.301 540 0,992 293.977 5 7,983 3.640 525 0,868 15.257.519 4.192 814 1,550 427.406 6 8,100 7.765 499 1,921 31.383.869 4.042 1.280 2,565 638.690 7 8,183 7.648 481 1,942 30.118.742 3.938 1.635 3,397 786.854 8 8,300 13.515 457 3,560 51.301.982 3.796 2.084 4,557 953.098 9 8,383 11.292 441 3,054 41.754.832 3.698 2.325 5,271 1.025.556

10 8,500 17.184 419 4,823 61.227.030 3.563 2.504 5,974 1.049.625 11 8,550 12.567 410 3,584 44.069.460 3.507 2.519 6,142 1.033.161 12 8,600 16.910 401 4,900 58.360.911 3.451 2.496 6,220 1.001.670 13 8,717 10.960 381 3,297 36.435.204 3.324 2.305 6,044 879.052 14 8,800 12.996 368 4,015 42.066.112 3.237 2.066 5,617 759.924 15 8,917 7.418 350 2,380 23.121.137 3.117 1.636 4,680 571.856 16 9,000 8.087 337 2,665 24.537.480 3.034 1.336 3,963 450.408 17 9,117 4.326 320 1,481 12.635.780 2.921 984 3,071 315.253 18 9,200 4.143 309 1,457 11.777.762 2.843 745 2,411 230.206 19 9,317 1.865 294 0,682 5.102.447 2.736 454 1,546 133.315 20 9,400 1.466 283 0,551 3.902.850 2.662 297 1,049 84.116 21 9,517 505 269 0,197 1.293.526 2.561 136 0,505 36.603 22 9,600 286 260 0,115 712.717 2.492 71 0,274 18.431 Σ 150.551 44 523.036.796 26.792 67 10.981.904

3408 24103408 03474 24863474 0

3408

3474

1,019 20 320 620 920

1.220 1.520 1.820 2.120 2.420

2.300 2.800 3.300 3.800 4.300 4.800

Distribución de pesomolecular PLIA 10h

Mn


1 7,550 260 634 0,054 1.244.687 4.787 72 0,114 45.653 2 7,650 546 607 0,118 2.535.561 4.644 152 0,250 92.271 3 7,750 1088 581 0,242 4.900.389 4.504 301 0,518 174.931 4 7,850 1954 556 0,447 8.534.424 4.368 531 0,954 295.444 5 7,950 3146 533 0,743 13.322.504 4.235 841 1,579 447.977 6 8,050 4559 510 1,111 18.715.674 4.105 1201 2,355 612.467 7 8,150 5995 488 1,507 23.854.307 3.979 1557 3,189 760.166 8 8,250 7238 467 1,877 27.910.816 3.856 1855 3,969 867.050 9 8,350 8115 447 2,172 30.321.801 3.737 2057 4,597 920.480

10 8,450 8548 428 2,361 30.944.340 3.620 2147 5,012 919.797 11 8,500 8552 419 2,400 30.470.994 3.563 2151 5,131 901.655 12 8,600 8181 401 2,370 28.234.808 3.451 2087 5,200 837.534 13 8,700 7473 384 2,236 24.978.953 3.343 1938 5,044 744.584 14 8,800 6446 368 1,991 20.864.740 3.237 1707 4,641 627.875 15 8,900 5199 352 1,659 16.294.079 3.134 1406 3,993 495.114 16 9,000 4006 337 1,320 12.154.958 3.034 1093 3,242 368.485 17 9,100 3051 323 1,039 8.961.147 2.937 836 2,590 269.828 18 9,200 2258 309 0,794 6.419.065 2.843 625 2,023 193.126 19 9,300 1647 296 0,599 4.531.235 2.751 456 1,541 134.898 20 9,400 1211 283 0,455 3.223.977 2.662 334 1,179 94.595 Σ 89.473 25 318.418.459 23.347 57 9.803.930

3509 21153509 03559 21313559 0

3509

3559

1,014

72

372

672

972

1272

1572

1872

2172

2.500 2.900 3.300 3.700 4.100 4.500 4.900

Distribución de pesomolecular en PLIA 12h

Mn


1 7,650 1.739 607 0,374 8.075.716 4.644 278 0,458 168.758 2 7,767 3.251 577 0,726 14.566.455 4.481 580 1,005 334.589 3 7,833 2.958 561 0,674 12.987.414 4.391 795 1,418 445.619 4 7,967 8.633 529 2,049 36.366.387 4.212 1.250 2,364 660.927 5 8,050 7.155 510 1,743 29.372.812 4.105 1.504 2,949 766.987 6 8,183 13.564 481 3,444 53.416.660 3.938 1.788 3,715 860.486 7 8,230 11.106 472 2,862 43.096.451 3.880 1.871 3,968 882.181 8 8,300 12.992 457 3,423 49.316.711 3.796 1.875 4,100 857.514 9 8,417 10.528 435 2,878 38.512.952 3.658 1.817 4,181 789.693

10 8,517 11.021 416 3,110 39.056.314 3.544 1.683 4,045 700.274 11 8,633 8.084 396 2,367 27.607.332 3.415 1.458 3,686 576.758 12 8,733 8.496 379 2,569 28.099.226 3.307 1.232 3,253 466.581 13 8,867 3.887 357 1,227 12.312.744 3.168 886 2,480 316.517 14 8,950 4.175 345 1,354 12.874.771 3.084 671 1,947 231.197 15 9,083 2.347 325 0,795 6.931.685 2.953 397 1,221 129.088 16 9,200 1.420 309 0,500 4.036.790 2.843 296 0,958 91.464 Σ 111.356 30 416.630.420 18.381 42 8.278.635

3700 18303700 03741 18303741

3700

3741

1,011

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.800 3.100 3.400 3.700 4.000 4.300 4.600 4.900

Distribución de pesomolecular en PLIA 16h

Mn

Polímero PLIA 1% punto tri Ai Mst Ai/tri*Mist Ai*tri*Mist Mi hi hi/Mist hi*Mist

1 7,500 181 648 0,037 879.711 4.860 38 0,059 24.625 2 7,583 358 625 0,076 1.696.760 4.740 88 0,141 55.002 3 7,700 1.216 594 0,266 5.561.402 4.574 231 0,389 137.206 4 7,783 1.732 573 0,388 7.722.383 4.459 401 0,700 229.721 5 7,900 4.263 544 0,991 18.334.219 4.301 736 1,352 400.680 6 7,983 4.714 525 1,125 19.759.325 4.192 1.034 1,969 542.921 7 8,100 9.237 499 2,285 37.333.264 4.042 1.477 2,960 736.988 8 8,183 8.443 481 2,144 33.249.548 3.938 1.776 3,690 854.711 9 8,300 14.015 457 3,692 53.199.946 3.796 2.117 4,629 968.191

10 8,383 11.263 441 3,046 41.647.597 3.698 2.306 5,228 1.017.175 11 8,500 17.045 419 4,784 60.731.769 3.563 2.497 5,957 1.046.691 12 8,583 12.839 404 3,700 44.551.949 3.470 2.595 6,419 1.049.141 13 8,700 18.548 384 5,549 61.997.809 3.343 2.667 6,942 1.024.668 14 8,717 13.110 381 3,944 43.582.620 3.324 2.665 6,988 1.016.344 15 8,800 16.117 368 4,979 52.168.323 3.237 2.542 6,911 935.008 16 8,917 8.835 350 2,835 27.537.780 3.117 2.006 5,739 701.188 17 9,000 8.487 337 2,797 25.751.155 3.034 1.526 4,526 514.463 18 9,117 3.796 320 1,300 11.087.707 2.921 923 2,881 295.710 19 9,200 3.321 309 1,168 9.440.972 2.843 614 1,987 189.727 20 9,317 1.506 294 0,550 4.120.260 2.736 361 1,229 106.006 21 9,400 1.307 283 0,491 3.479.553 2.662 247 0,872 69.955 Σ 160.333 46 563.834.053 28.847 72 11.916.121

3474 25753474 03517 25303517 03517

3474

1,012 30

430

830

1.230

1.630

2.030

2.430

2.500 2.800 3.100 3.400 3.700 4.000 4.300 4.600 4.900

Distribución de pesomolecular PLIA 1%

Mn


1 7,700 329 594 0,072 1.504.689 4.574 67 0,113 39.796 2 7,783 571 573 0,128 2.545.889 4.459 137 0,239 78.483 3 7,900 1.698 544 0,395 7.302.722 4.301 312 0,573 169.854 4 7,983 2.192 525 0,523 9.188.044 4.192 497 0,947 260.959 5 8,100 4.968 499 1,229 20.079.209 4.042 836 1,675 417.144 6 8,183 5.126 481 1,302 20.186.803 3.938 1.107 2,300 532.751 7 8,300 9.425 457 2,483 35.776.632 3.796 1.474 3,223 674.120 8 8,383 8.130 441 2,199 30.062.591 3.698 1.686 3,822 743.693 9 8,500 12.712 419 3,568 45.293.180 3.563 1.871 4,463 784.285

10 8,583 9.502 404 2,738 32.972.398 3.470 1.905 4,712 770.178 11 8,600 12.973 401 3,759 44.773.276 3.451 1.901 4,737 762.890 12 8,717 8.460 381 2,545 28.124.254 3.324 1.778 4,662 678.071 13 8,800 10.051 368 3,105 32.533.587 3.237 1.596 4,339 587.047 14 8,917 5.734 350 1,840 17.872.284 3.117 1.268 3,628 443.224 15 9,000 6.155 337 2,029 18.675.428 3.034 1.029 3,052 346.909 16 9,117 3.150 320 1,078 9.200.811 2.921 733 2,288 234.838 17 9,200 2.959 309 1,041 8.411.875 2.843 532 1,722 164.389 18 9,317 1.331 294 0,486 3.641.479 2.736 326 1,110 95.728 19 9,400 1.065 283 0,400 2.835.290 2.662 212 0,749 60.042 Σ 106.531 31 370.980.440 19.267 48 7.844.402

3445 18803445 0

3482 18903482 0

3445

3482

1,011

60

360

660

960

1.260

1.560

1.860

2.600 3.000 3.400 3.800 4.200 4.600

Distribución de peso molecular PLIA 4%M w

Mn


1 7,450 25 662 0,005 123.355 4.934 8 0,012 5.298 2 7,550 106 634 0,022 507.449 4.787 31 0,049 19.656 3 7,650 302 607 0,065 1.402.453 4.644 87 0,143 52.813 4 7,750 705 581 0,157 3.175.344 4.504 198 0,341 115.071 5 7,850 1.402 556 0,321 6.123.471 4.368 386 0,694 214.767 6 7,950 2.440 533 0,576 10.332.775 4.235 659 1,237 351.031 7 8,050 3.782 510 0,921 15.525.922 4.105 1.006 1,973 513.024 8 8,150 5.302 488 1,332 21.096.836 3.979 1.390 2,847 678.633 9 8,250 6.787 467 1,760 26.171.692 3.856 1.755 3,755 820.308

10 8,350 8.026 447 2,148 29.989.252 3.737 2.051 4,583 917.795 11 8,450 8.842 428 2,442 32.008.640 3.620 2.235 5,217 957.497 12 8,533 9.140 413 2,592 32.225.847 3.526 2.288 5,537 945.393 13 8,600 8.896 401 2,578 30.702.464 3.451 2.262 5,637 907.763 14 8,700 8.130 384 2,432 27.175.015 3.343 2.111 5,495 811.051 15 8,800 6.953 368 2,148 22.505.823 3.237 1.846 5,019 679.003 16 8,900 5.629 352 1,796 17.641.733 3.134 1.516 4,305 533.850 17 9,000 4.445 337 1,465 13.486.966 3.034 1.202 3,565 405.233 18 9,100 3.417 323 1,163 10.036.132 2.937 938 2,906 302.749 19 9,200 2.419 309 0,851 6.876.757 2.843 684 2,214 211.357 20 9,300 1.593 296 0,579 4.382.670 2.751 461 1,558 136.377 21 9,400 931 283 0,350 2.478.549 2.662 282 0,996 79.867 22 9,500 477 271 0,185 1.228.689 2.576 149 0,550 40.400 23 9,600 213 260 0,085 530.800 2.492 71 0,274 18.431 Σ 91.275 27 317.910.784 23.674 59 9.712.815

3420 22003420 03483 22603483 0

1,019

3420

3483

8

508

1.008

1.508

2.008

2.200 2.700 3.200 3.700 4.200 4.700

Distribución de pesomolecular PLIA 9%

Mn

Polímero PLMA 5hpunto tri Ai Mst Ai/tri*Mist Ai*tri*Mist Mi hi hi/Mist hi*Mist

1 9,950 52 223 0,023 115.315 2.218 14 0,063 3.120 2 10,050 100 213 0,047 214.440 2.144 27 0,127 5.761 1 10,150 207 204 0,100 429.197 2.073 58 0,284 11.848 2 10,250 425 196 0,212 851.947 2.005 118 0,603 23.077 3 10,350 816 187 0,421 1.581.286 1.938 223 1,191 41.753 4 10,450 1.398 179 0,746 2.618.686 1.873 378 2,109 67.757 5 10,550 2.133 172 1,178 3.861.743 1.810 565 3,292 96.959 6 10,650 2.865 164 1,637 5.012.960 1.750 744 4,528 122.234 7 10,750 3.387 157 2,003 5.726.954 1.691 862 5,480 135.584 8 10,833 3.561 152 2,167 5.852.172 1.643 893 5,886 135.471 9 10,900 3.356 147 2,090 5.389.748 1.606 867 5,884 127.744

10 11,000 2.909 141 1,875 4.513.739 1.552 769 5,452 108.474 11 11,100 2.396 135 1,598 3.591.615 1.499 643 4,761 86.834 12 11,200 1.856 129 1,282 2.687.547 1.448 509 3,937 65.808 13 11,300 1.360 124 0,972 1.902.205 1.399 379 3,062 46.911 14 11,400 952 119 0,705 1.286.062 1.351 269 2,270 31.877 15 11,500 590 113 0,452 769.750 1.305 180 1,587 20.421 16 11,567 265 110 0,208 337.746 1.275 113 1,026 12.451 17 11,850 4.884 97 4,231 5.637.337 1.154 50 0,513 4.870 Σ 33.360 22 52.050.694 27.371 7.620 52 1.140.073

1525 7001525 0

1560 7851560 0

1525

1560

1,023

40140240340440540640740840940

1100 1300 1500 1700 1900 2100

Distribución depeso molecularPLMA 5h

Polímeropunto tri Ai Mst Ai/tri*Mist Ai*tri*Mist Mi hi hi/Mist hi*Mist

1 8,850 28 360 0,009 89.183 3.185 8 0,022 2.879 2 8,950 76 345 0,025 234.367 3.084 22 0,064 7.580 1 9,050 190 330 0,064 567.208 2.985 54 0,164 17.813 2 9,150 416 316 0,144 1.202.083 2.890 117 0,370 36.949 3 9,250 802 302 0,287 2.242.932 2.797 220 0,728 66.515 4 9,350 1.367 289 0,505 3.699.646 2.706 369 1,275 106.809 5 9,450 2.080 277 0,794 5.446.972 2.619 552 1,992 152.967 6 9,550 2.835 265 1,119 7.182.844 2.534 739 2,786 196.058 7 9,650 3.456 254 1,410 8.470.734 2.451 884 3,480 224.529 8 9,750 3.749 243 1,581 8.888.328 2.371 942 3,874 229.061 9 9,800 3.652 238 1,566 8.515.239 2.332 934 3,926 222.222

10 9,900 3.237 228 1,435 7.299.580 2.255 851 3,736 193.843 11 10,000 2.672 218 1,225 5.826.885 2.181 717 3,288 156.358 12 10,100 2.111 209 1,001 4.451.328 2.109 574 2,749 119.837 13 10,200 1.570 200 0,770 3.200.809 2.039 437 2,186 87.346 14 10,300 1.099 191 0,558 2.166.082 1.971 311 1,625 59.511 15 10,400 737 183 0,387 1.404.174 1.905 234 1,277 42.868 16 10,500 422 175 0,229 777.144 1.842 177 1,009 31.044 17 10,970 4.324 143 2,758 6.779.042 1.568 43 0,301 6.145 Σ 34.719 16 78.121.030 39.553 8.155 35 1.949.875

2193 2193 7352193 0

2250 2250 8402250 0

1,026

PLMA8h

30

180

330

480

630

780

930

1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900



1 8,750 46 376 0,014 151.309 3.289 12 0,032 4.511 2 8,850 95 360 0,030 302.585 3.185 26 0,072 9.357 1 8,950 197 345 0,064 607.504 3.084 55 0,160 18.951 2 9,050 386 330 0,129 1.152.327 2.985 106 0,321 34.966 3 9,150 698 316 0,242 2.016.956 2.890 190 0,602 60.003 4 9,250 1.143 302 0,409 3.196.598 2.797 306 1,012 92.517 5 9,350 1.699 289 0,628 4.598.170 2.706 449 1,551 129.965 6 9,450 2.298 277 0,878 6.017.857 2.619 598 2,158 165.715 7 9,550 2.816 265 1,111 7.134.705 2.534 722 2,721 191.548 8 9,650 3.122 254 1,274 7.652.093 2.451 788 3,102 200.146 9 9,700 3.115 249 1,292 7.509.133 2.411 790 3,179 196.330

10 9,800 2.826 238 1,212 6.589.284 2.332 738 3,102 175.589 11 9,900 2.372 228 1,052 5.348.967 2.255 634 2,783 144.414 12 10,000 1.903 218 0,873 4.149.911 2.181 514 2,357 112.089 13 10,100 1.476 209 0,700 3.112.345 2.109 403 1,930 84.137 14 10,200 1.100 200 0,540 2.242.605 2.039 304 1,521 60.762 15 10,300 802 191 0,407 1.580.708 1.971 223 1,165 42.672 16 10,400 573 183 0,301 1.091.712 1.905 161 0,879 29.495 19 10,500 311 175 0,169 572.730 1.842 105 0,599 18.416 20 10,767 419 156 0,249 704.356 1.681 25 0,160 3.903 Σ 26.526 11 64.000.874 39.267 6.981 29 1.739.298

2388 2388 7752388 0

2413 2413 7902413 0

1,011

PLMA10h

50150250350450550650750850

1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100



1 7,450 43 662 0,009 212.170 4.934 13 0,020 8.610 2 7,550 102 634 0,021 488.300 4.787 28 0,044 17.754 1 7,650 206 607 0,044 956.640 4.644 57 0,094 34.601 2 7,750 391 581 0,087 1.761.077 4.504 108 0,186 62.766 3 7,850 707 556 0,162 3.087.942 4.368 193 0,347 107.383 4 7,950 1.186 533 0,280 5.022.406 4.235 320 0,601 170.455 5 8,050 1.835 510 0,447 7.533.069 4.105 488 0,957 248.863 6 8,150 2.599 488 0,653 10.341.508 3.979 683 1,399 333.458 7 8,250 3.383 467 0,877 13.045.356 3.856 877 1,876 409.920 8 8,350 4.061 447 1,087 15.173.979 3.737 1.039 2,322 464.939 9 8,450 4.478 428 1,237 16.210.664 3.620 1.131 2,640 484.532

10 8,500 4.554 419 1,278 16.226.018 3.563 1.144 2,729 479.541 11 8,600 4.330 401 1,255 14.943.982 3.451 1.109 2,763 445.053 12 8,700 3.943 384 1,180 13.179.715 3.343 1.020 2,655 391.886 13 8,800 3.598 368 1,112 11.646.189 3.237 925 2,515 340.237 14 8,900 3.338 352 1,065 10.461.557 3.134 854 2,425 300.731 15 9,000 3.124 337 1,030 9.478.804 3.034 799 2,370 269.368 16 9,100 2.861 323 0,974 8.403.095 2.937 740 2,293 238.843 17 9,200 2.500 309 0,879 7.107.025 2.843 659 2,133 203.632 18 9,300 1.971 296 0,716 5.422.625 2.751 544 1,839 160.931 19 9,400 1.265 283 0,475 3.367.739 2.662 378 1,335 107.056 20 9,500 566 271 0,220 1.457.941 2.576 196 0,723 53.144 21 9,567 187 263 0,074 471.130 2.519 90 0,342 23.701 24 11,033 923 139 0,602 1.415.962 1.534 45 0,324 6.257 25 10,900 12.189 147 7,590 19.575.577 1.606 184 1,249 27.111 26 11,167 3.501 131 2,390 5.127.814 1.465 185 1,410 24.265 27 11,467 2.957 115 2,241 3.902.516 1.320 186 1,616 21.407 28 12,600 1.108 70 1,252 980.822 885 185 2,633 12.997 29 12,683 2.578 68 3,000 2.215.549 859 185 2,730 12.536 30 12,883 913 62 1,141 730.507 800 183 2,947 11.365 31 13,000 29.881 59 38,945 22.926.538 767 183 3,101 10.801 Σ 52.006 16 176.714.424 74.632 13.399 35 5.337.298

PLMA12h

3305 3305 9783305 0

3398 3398 10653398 0

1,02850

250

450

650

850

1050

1250

2500 2800 3100 3400 3700 4000 4300 4600

Distribuciónde pesomolecularPLMA 12h

Polímero PLMA16hpunto tri Ai Mst Ai/tri*Mist Ai*tri*Mist Mi hi hi/Mist hi*Mist

1 7,550 64 634 0,013 306.385 4.787 19 0,030 12.047 1 7,650 153 607 0,033 710.514 4.644 43 0,071 26.103 2 7,750 323 581 0,072 1.454.803 4.504 90 0,155 52.305 3 7,850 588 556 0,135 2.568.189 4.368 160 0,288 89.023 4 7,950 958 533 0,226 4.056.884 4.235 257 0,482 136.897 5 8,050 1.405 510 0,342 5.767.827 4.105 371 0,728 189.197 6 8,150 1.881 488 0,473 7.484.562 3.979 490 1,004 239.230 7 8,250 2.322 467 0,602 8.953.981 3.856 598 1,279 279.512 8 8,350 2.656 447 0,711 9.924.178 3.737 675 1,508 302.053 9 8,450 2.815 428 0,778 10.190.491 3.620 707 1,650 302.886

10 8,500 2.779 419 0,780 9.901.648 3.563 704 1,679 295.102 11 8,600 2.586 401 0,749 8.924.974 3.451 667 1,662 267.674 12 8,700 2.319 384 0,694 7.751.397 3.343 603 1,569 231.674 13 8,800 2.084 368 0,644 6.745.597 3.237 539 1,465 198.257 14 8,900 1.907 352 0,608 5.976.690 3.134 490 1,391 172.550 15 9,000 1.757 337 0,579 5.331.069 3.034 452 1,341 152.384 16 9,100 1.582 323 0,539 4.646.521 2.937 412 1,276 132.977 17 9,200 1.358 309 0,478 3.860.536 2.843 360 1,165 111.240 18 9,300 1.071 296 0,389 2.946.541 2.751 295 0,997 87.269 19 9,400 723 283 0,272 1.924.802 2.662 211 0,745 59.759 20 9,500 369 271 0,143 950.495 2.576 120 0,443 32.537 21 9,600 85 260 0,034 211.822 2.492 42 0,162 10.903 22 9,850 1.875 233 0,818 4.299.496 2.293 51 0,219 11.873 Σ 33.596 10 114.583.016 75.364 8.337 21 3.381.406

3327 5853327 0

3411 6403411 0

3327

3411

1,025

30

130

230

330

430

530

630

730

2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800

Distribución de pesomolecular PLMA 16h

Mn


1 7,650 24 607 0,005 111.453 4.644 7 0,012 4.249 2 7,750 75 581 0,017 337.803 4.504 22 0,038 12.786 1 7,850 178 556 0,041 777.445 4.368 50 0,090 27.820 2 7,950 364 533 0,086 1.541.447 4.235 101 0,190 53.800 3 8,050 656 510 0,160 2.693.021 4.105 178 0,349 90.774 4 8,150 1.058 488 0,266 4.209.818 3.979 283 0,580 138.168 5 8,250 1.522 467 0,395 5.869.061 3.856 400 0,856 186.965 6 8,350 1.955 447 0,523 7.304.883 3.737 505 1,129 225.981 7 8,450 2.250 428 0,622 8.145.153 3.620 571 1,333 244.622 8 8,533 2.327 413 0,660 8.204.546 3.526 583 1,411 240.893 9 8,600 2.217 401 0,642 7.651.457 3.451 568 1,415 227.944

10 8,700 2.031 384 0,608 6.788.740 3.343 523 1,361 200.938 11 8,800 1.871 368 0,578 6.056.148 3.237 479 1,302 176.188 12 8,900 1.755 352 0,560 5.500.309 3.134 448 1,272 157.760 13 9,000 1.645 337 0,542 4.991.240 3.034 420 1,246 141.595 14 9,100 1.495 323 0,509 4.390.991 2.937 388 1,202 125.231 15 9,200 1.285 309 0,452 3.653.011 2.843 340 1,100 105.060 16 9,300 992 296 0,361 2.729.195 2.751 276 0,933 81.649 17 9,400 628 283 0,236 1.671.889 2.662 189 0,667 53.528 18 9,500 272 271 0,106 700.636 2.576 96 0,354 26.030 19 9,850 4.325 233 1,886 9.917.503 2.293 28 0,120 6.518 Σ 28.826 9 92.796.491 63.686 6.426 17 2.511.464

3123 3123 4403123 0

3219 3219 4703219 0

1,031

PLMA4%

20

120

220

320

420

520

620

2250 2550 2850 3150 3450 3750 4050 4350

Distribuciónde pesomolecular…


1 7,750 32 581 0,007 144.129 4.504 10 0,017 5.812 1 8,850 98 360 0,031 312.140 3.185 29 0,081 10.437 2 8,950 241 345 0,078 743.190 3.084 69 0,200 23.774 3 9,050 512 330 0,172 1.528.476 2.985 142 0,430 46.841 4 9,150 935 316 0,324 2.701.797 2.890 254 0,804 80.215 5 9,250 1.499 302 0,536 4.192.213 2.797 400 1,323 120.937 6 9,350 2.127 289 0,786 5.756.508 2.706 557 1,924 161.226 7 9,450 2.676 277 1,022 7.007.739 2.619 688 2,483 190.655 8 9,550 2.998 265 1,183 7.595.826 2.534 757 2,853 200.833 9 9,600 3.043 260 1,221 7.583.212 2.492 765 2,947 198.583

10 9,700 2.884 249 1,196 6.952.276 2.411 738 2,970 183.407 11 9,800 2.681 238 1,150 6.251.193 2.332 686 2,883 163.217 12 9,900 2.501 228 1,109 5.639.867 2.255 640 2,810 145.781 13 10,000 2.340 218 1,073 5.102.886 2.181 599 2,747 130.625 14 10,100 2.153 209 1,021 4.539.891 2.109 555 2,658 115.871 15 10,200 1.906 200 0,935 3.885.823 2.039 500 2,502 99.938 16 10,300 1.568 191 0,796 3.090.461 1.971 424 2,216 81.135 17 10,400 1.135 183 0,596 2.162.466 1.905 322 1,758 58.990 18 10,500 690 175 0,375 1.270.686 1.842 208 1,186 36.481 19 10,600 309 168 0,174 549.977 1.780 107 0,637 17.967 20 10,667 125 163 0,072 217.448 1.740 50 0,307 8.154 22 11,583 23.590 109 18,613 29.898.224 1.267 57 0,521 6.237 Σ 32.421 14 77.084.075 47.854 8.490 36 2.075.065

PLMA9%

2341 2341 6902341 0

2378 2378 7102378 0

1,016

20

130

240

350

460

570

680

790

1700 2000 2300 2600 2900 3200

Distribución de pesomolecular PLMA 9%

Mn

E. Anexo. pH de soluciones residuales de degradación hidrolítica neutra, ácida y enzimática

SOBRENADANTE

POLÍMERO DEGRADACIÓN pH

BLANCO Enz 7,45

PLA (Enz) 3,1

PLA (pH 4,5) 2,56

PLA (pH 7,0) 2,91

PLIA 10h (Enz) 2,54

PLIA 10h (pH 4,5) 2,63

PLIA 10h (pH 7,0) 2,87

PLMA 10h (Enz) 2,43

PLMA 10h (pH 4,5) 2,73

PLMA 10h (pH 7,0) 3,05

E15-50% (Enz) 5,90

E15-50% (Enz) 5,92

E15-50% (pH 4,5) 3,32

E15-50% (pH 7,0) 6,24

E15-50% Enz 5,77

E15-50% Enz 5,84

E15-50% pH 4,5 3,04

E15-50% pH 7,0 6,57

E25-50% (Enz) 6,92

E25-50% (pH 4,5) 4,32

E25-50% (pH 7,0) 6,59

E25-50% Enz 6,83

E25-50% pH 4,5 3,62

E25-50% pH 7,0 6,70

E33-50% (Enz) 7,35

E33-50% (pH 7,0) 7,39

E33-50% Enz 7,34

E33-50% pH 4,5 4,72

E33-50% pH 4,5 4,77

E33-50% pH 7,0 7,35

E39-50% (Enz) 6,74

E39-50% (pH 4,5) 3,82

E39-50% (pH 7,0) 6,24

E39-50% Enz 6,85

E39-50% pH 4,5 3,72

E39-50% pH 7,0 6,68

E45-50% (Enz) 6,63

E45-50% (pH 4,5) 3,38

E45-50% (pH 7,0) 6,55

E45-50% Enz 6,77

E45-50% pH 4,5 3,38

E45-50% pH 7,0 6,53

E5-50% : PLIA-MMA polimerizado con 50% de monómero; E15-50%: PLIA-AA polimerizado con 50% de monómero ; E25-50%: PLIA-MA polimerizado con 50% de monómero; E33-50%: PLMA-MMA; E39-50%: PLMA-AA; E45-50%: PLMA-MA.

Síntesis de copolímeros basados en ácido láctico, ácidos...

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